Схема заряда аккумулятора: Схемы самодельных зарядок для литий-ионных аккумуляторов (18650, 14500 li-ion), как правильно заряжать литий-полимерные АКБ

Электрическая схема зарядного устройства

Неуклонная тенденция развития портативной электроники практически ежедневно заставляет рядового пользователя сталкиваться с зарядкой аккумуляторов своих мобильных устройств. Будь вы владельцем мобильного телефона, планшета, ноутбука или даже автомобиля, так или иначе вам неоднократно придётся столкнуться с зарядкой аккумуляторов этих устройств. На сегодняшний день рынок выбора зарядных устройств настолько обширен и велик, что в этом многообразии довольно тяжело сделать грамотный и правильный выбор зарядного устройства, подходящего к типу используемого аккумулятора. К тому же, сегодня существуют более 20-и типов аккумуляторов с различным химическим составом и основой. Каждый из них имеет свою специфику работы заряда и разряда. В силу экономической выгоды современное производство в этой сфере сейчас сконцентрировано преимущественно на выпуске свинцово-кислотных (гелевых) (Pb), никель – металл — гидридных (NiMH), никель – кадмиевых (NiCd) аккумуляторов и аккумуляторов на основе лития – литий-ионных (Li-ion) и литий-полимерных (Li-polymer). Последние из указанных, кстати, активно используются в питании портативных мобильных устройств. Главным образом литиевые аккумуляторы заслужили популярность за счёт применения относительно недорогих химических компонентов, большого количества циклов перезаряда (до 1000), высокой удельной энергии, низкой степени саморазряда, а так же способности удерживать ёмкость при отрицательных значениях температуры.

Электрическая схема зарядного устройства литиевых аккумуляторов, применяемых в мобильных гаджетах сводится к обеспечению их в процессе заряда постоянным напряжением, превышающим на 10 – 15 % номинальное. К примеру, если для питания мобильного телефона используется литий-ионная батарея на 3,7 В., то для её заряда необходим стабилизированный источник питания достаточной мощности для поддержания напряжения заряда не выше 4,2В – 5В. Именно поэтому большинство портативных зарядных устройств, идущих в комплекте с устройством, выпускают на номинальное напряжение 5В, обусловленное максимальным напряжением питания процессора и заряда батареи с учётом встроенного стабилизатора.

Конечно, не стоит забывать и о контроллере заряда, который берёт на себя основной алгоритм заряда батареи, а так же опрос её состояния. Современные литиевые аккумуляторы, выпускаемые для мобильных устройств с малыми токами потребления, уже идут со встроенным контроллером. Контроллер выполняет функцию ограничения тока заряда в зависимости от текущей ёмкости аккумулятора, отключает подачу напряжения устройству в случае критического разряда батареи, защищает батарею в случае короткого замыкания нагрузки (литиевые батареи очень чувствительны к большому току нагрузки и имеют свойство сильно нагреваться и даже взрываться). С целью унификации и взаимозаменяемости литий-ионных аккумуляторов ещё в 1997 году компании Duracell и Intel разработали управляющую шину опроса состояния контроллера, его работы и заряда с названием SMBus. Под эту шину были написаны драйвера и протоколы. Современные контроллеры и сейчас используют основы алгоритма заряда, прописанные этим протоколом. В плане технической реализации существует множество микросхем, способных реализовать контроль заряда литиевых аккумуляторов. Среди них выделяется серия MCP738xx, MAX1555 от MAXIM, STBC08 или STC4054 с уже встроенным защитным n-канальным MOSFET транзистором, резистором определения тока заряда и диапазоном напряжения питания контроллера от 4,25 до 6,5 Вольт. При этом у последних микросхем от STMicroelectronics значение напряжения заряда аккумулятора 4,2 В. имеет разброс всего +/- 1%, а зарядный ток может достигать 800 мА, что позволит реализовать зарядку аккумуляторов ёмкостью до 5000 мА/ч.

Рассматривая алгоритм заряда литий-ионных аккумуляторов стоит сказать, что это один из немногих типов, предусматривающих паспортную возможность зарядки током до 1С (100% ёмкости аккумулятора). Таким образом, аккумулятор ёмкостью в 3000 ма/ч может заряжаться током до 3А. Однако, частая зарядка большим «ударным» током хоть и существенно сократит её время, но в то же время довольно быстро снизит ёмкость аккумулятора и приведёт его в негодность. Из опыта проектирования электрических схем зарядных устройств скажем, что оптимальным значением зарядки литий-инного (полимерного) аккумулятора является значение 0,4С – 0,5С от его ёмкости.

Значение тока в 1С допускается лишь в момент начального заряда батареи, когда ёмкость аккумулятора достигает приблизительно 70% своей максимальной величины. Примером может стать работа зарядки смартфона или планшета, когда первоначальное восстановление ёмкости происходит за короткое время, а оставшиеся проценты набираются медленно.

На практике довольно часто случается эффект глубокого разряда литиевого аккумулятора, когда его напряжение опускается ниже 5% его ёмкости. В этом случае контроллер не в состоянии обеспечить достаточный пусковой ток для набора начальной ёмкости заряда. (Именно поэтому не рекомендуется разряжать такие аккумуляторы ниже 10%). Для решения таких ситуаций необходимо аккуратно разобрать аккумулятор и отключить встроенный контроллер заряда. Далее необходимо к выводам аккумулятора подсоединить внешний источник заряда, способный выдать ток не менее 0,4С ёмкости аккумулятора и напряжение не выше 4,3В (для аккумуляторов на 3,7В.). Электрическая схема зарядного устройства для начальной стадии зарядки таких аккумуляторов может примениться из примера ниже.

Данная схема состоит из стабилизатора тока в 1А. (задаётся резистором R5) на параметрическом стабилизаторе LM317D2T и импульсном регуляторе напряжения LM2576S-adj. Напряжение стабилизации, определяется обратной связью на 4-ю ногу стабилизатора напряжения, то есть соотношением сопротивлений R6 и R7, которыми на холостом ходу выставляется максимальное напряжение зарядки аккумулятора. Трансформатор должен на вторичной обмотке выдавать 4,2 – 5,2 В переменного напряжения. Тогда после стабилизации мы получим 4,2 – 5В постоянного напряжения, достаточного для заряда вышеупомянутого аккумулятора.

Никель – металл — гидридные аккумуляторы (NiMH) чаще всего можно встретить в исполнении корпусов стандартных батареек – это формфактор ААА (R03), АА (R6), D, С, 6F22 9В. Электрическая схема зарядного устройства для NiMH и NiCd аккумуляторов должна в себя включать нижеперечисленные функциональные возможности, связанные со спецификой алгоритма заряда этого типа аккумуляторов.

У различных аккумуляторов (даже с одинаковыми параметрами) со временем меняются химические и емкостные характеристики. В итоге возникает необходимость организовывать алгоритм заряда каждого экземпляра индивидуально, поскольку в процессе зарядки (особенно большими токами, что допускают никелевые аккумуляторы) избыточный перезаряд влияет на быстрый перегрев аккумулятора. Температура в процессе заряда выше 50 градусов из-за химически необратимых процессов распада никеля полностью погубит аккумулятор. Таким образом, электрическая схема зарядного устройства должна иметь функцию контроля температуры аккумулятора. Для увеличения срока службы и количества циклов перезаряда никелевого аккумулятора желательно каждую его банку разрядить до напряжения не ниже 0,9В. током порядка 0,3С от его ёмкости. К примеру, аккумулятор с 2500 – 2700 мА/ч. разрядить на активную нагрузку током в 1А. Так же зарядное устройство должно поддерживать зарядку с «тренировкой», когда в течении нескольких часов происходит циклический разряд до 0,9В с последующим зарядом током 0,3 – 0,4С. Исходя из практики таким образом можно оживить до 30% убитых никелевых аккумуляторов, причём никель-кадмиевые аккумуляторы «реанимации» поддаются гораздо охотнее. По времени заряда электрические схемы зарядных устройств могут делиться на «ускоренные» (ток заряда до 0,7С с временем полного заряда 2 – 2,5ч.), «средней длительности» (0,3 – 0,4С – заряд за 5 – 6ч.) и «классические» (ток 0,1С – время заряда 12 – 15ч.). Конструируя зарядное устройство для NiMH или NiCd аккумулятора, так же можно воспользоваться общепринятой формулой расчёта времени заряда в часах:

T = (E/I) ∙ 1.5

где Е – ёмкость аккумулятора, мА/ч.,
I – ток заряда, мА,
1,5 – коэффициент для компенсации КПД во момент зарядки.
К примеру, время заряда аккумулятора ёмкостью 1200 мА/ч. током 120 мА (0,1С) будет:
(1200/120)*1,5 = 15 часов.

Из опыта эксплуатации зарядных устройств для никелевых аккумуляторов стоит отметить, что чем ниже зарядный ток, тем больше циклов перезаряда перенесёт элемент. Паспортные циклы, как правило, производитель указывает при зарядке аккумулятора током 0,1С с наиболее длительным временем заряда. Степень заряженности банок зарядное устройство может определять через измерение внутреннего сопротивления за счёт разницы падения напряжения в момент заряда и разряда определённым током (метод ∆U).

Итак, учитывая всё вышеизложенное, одним из наиболее простых решений для самостоятельной сборки электрической схемы зарядного устройства и в то же время обладающей высокой эффективностью является схема Виталия Спорыша, описание которой без труда можно найти в сети.

Основными преимуществами данной схемы является возможность зарядки как одного, так и двух последовательно соединённых аккумуляторов, термоконтроль заряда цифровым термометром DS18B20, контроль и измерение тока в процессе заряда и разряда, автоотключение по завершению зарядки, возможность зарядки аккумулятора в «ускоренном» режиме. Кроме того, с помощью специально написанного программного обеспечения и дополнительной платы на микросхеме — преобразователе TTL уровней MAX232 возможен вариант контроля зарядки на ПК и дальнейшей её визуализации в виде графика. К недостаткам стоит отнести необходимость наличия независимого двухуровневого питания.

Аккумуляторы на основе свинца (Pb) довольно часто можно встретить в устройствах с большим потреблением тока: автомобилях, электромобилях, бесперебойниках, в качестве источников питания различного электроинструмента. Нет смысла перечислять их достоинства и недостатки, которые можно разыскать на многих сайтах на просторах сети. В процессе реализации электрической схемы зарядного устройства для таких аккумуляторов следует различать два режима зарядки: буферный и циклический.

Буферный режим зарядки предусматривает одновременное подключение к аккумулятору и зарядного устройства, и нагрузки. Такое подключение можно наблюдать в блоках бесперебойного питания, автомобилях, ветряных и солнечных энергосистемах. При этом, во время подзаряда устройство является ограничителем тока, а когда аккумулятор набирает свою ёмкость – переходит в режим ограничения напряжения для компенсации саморазряда. В этом режиме аккумулятор выступает в роли суперконденсатора. Циклический режим предусматривает отключение зарядного устройства по завершению зарядки и его повторное подключение в случае разряда батареи.

Схемных решений по зарядке данных аккумуляторов в Интернете достаточно много, поэтому рассмотрим некоторые из них. Для начинающего радиолюбителя для реализации простого зарядного устройства «на коленках» отлично подойдёт электрическая схема зарядного устройства на микросхеме L200C от STMicroelectronics. Микросхема представляет собой АНАЛОГОВЫЙ регулятор тока с возможностью стабилизации напряжения. Из всех преимуществ, которые имеет эта микросхема – это простота схемотехники. Пожалуй, на этом все плюсы и заканчиваются. Согласно даташиту на эту микросхему, максимальный ток заряда может достигать 2А, что теоретически позволит зарядить аккумулятор ёмкостью до 20 А/ч напряжением (регулируемым) от 8 до 18В. Однако, как оказалось на практике, минусов у этой микросхемы гораздо больше, чем плюсов. Уже при зарядке 12 амперного cвинцово-гелевого SLA аккумулятора током 1,2А микросхема требует радиатор площадью не менее 600 кв. мм. Хорошо подходит радиатор с вентилятором от старого процессора. Согласно документации к микросхеме, к ней можно прикладывать напряжение до 40В. На самом деле, если подать по входу напряжение более 33В. – микросхема сгорает. Данное зарядное требует довольно мощный источник питания, способный выдать ток не менее 2А. Согласно приведённой схеме вторичная обмотка трансформатора должна выдавать не более 15 – 17В. переменного напряжения. Значение выходного напряжения, при котором зарядное устройство определяет, что аккумулятор набрал свою ёмкость, определяется значением Uref на 4-й ножке микросхемы и задаётся резистивным делителем R7 и R1. Сопротивления R2 – R6 создают обратную связь, определяя граничное значение зарядного тока аккумулятора. Резистор R2 в то же время определяет его минимальное значение. При реализации устройства не стоит пренебрегать значением мощности сопротивлений обратной связи и лучше применять такие номиналы, какие указаны в схеме. Для реализации переключения зарядного тока лучшим вариантом станет применение релейного переключателя, к которому подключаются сопротивления R3 – R6. От использования низкоомного реостата лучше отказаться. Данное зарядное устройство способно заряжать аккумуляторы на свинцовой основе ёмкостью до 15 А/ч. при условии хорошего охлаждения микросхемы.

Существенно уменьшить габариты зарядки свинцовых аккумуляторов небольшой ёмкости (до 20 А/ч.) поможет электрическая схема зарядного устройства на импульсном 3А. стабилизаторе тока с регулировкой напряжения LM2576-ADJ.

Для зарядки свинцово-кислотных или гелевых аккумуляторных батарей ёмкостью до 80А/ч. (к примеру, автомобильных). Отлично подойдёт импульсная электрическая схема зарядного устройства универсального типа представленная ниже.

Схема была успешно реализована автором этой статьи в корпусе от компьютерного блока питания ATX. В основе её элементной базы лежат радиоэлементы, большей частью взятые из разобранного компьютерного блока питания. Зарядное устройство работает как стабилизатор тока до 8А. с регулируемым напряжением отсечки заряда. Переменное сопротивление R5 устанавливает значение максимального тока заряда, а резистор R31 устанавливает его граничное напряжение. В качестве датчика тока используется шунт на R33. Реле K1 необходимо для защиты устройства от изменения полярности подключения к клеммам аккумулятора. Импульсные трансформаторы T1 и Т21 в готовом виде были так же взяты из компьютерного блока питания. Работает электрическая схема зарядного устройства следующим образом:

1. включаем зарядное устройство с отключённой батареей (клеммы зарядки откинуты)

2. выставляем переменным сопротивлением R31(на фото верхнее) напряжение заряда. Для свинцового 12В. аккумулятора оно не должно превышать 13,8 – 14,0 В.

3. При правильном подключении зарядных клемм слышим, как щёлкает реле, и на нижнем индикаторе видим значение тока заряда, которое выставляем нижним переменным сопротивлением (R5 по схеме).

4. Алгоритм заряда спроектирован таким образом, что устройство заряжает аккумулятор постоянным заданным током. По мере накопления ёмкости значение зарядного тока стремится к минимальному значению, а «дозаряд» происходит за счёт выставленного ранее напряжения.

Полностью посаженый свинцовый аккумулятор не включит реле, как и собственно саму зарядку. Поэтому важно предусмотреть принудительную кнопку подачи мгновенного напряжения от внутреннего источника питания зарядного устройства на управляющую обмотку реле К1. При этом следует помнить, что в момент нажатой кнопки защита от переполюсовки будет отключена, поэтому нужно перед принудительным пуском обратить особое внимание на правильность подключения клемм зарядного устройства к аккумулятору. Как вариант, возможен запуск зарядки от заряженного аккумулятора, а уж потом перебрасываем клеммы зарядки на требуемый посаженный аккумулятор. Разработчика схемы можно найти под ником Falconist на различных радиоэлектронных форумах.

Для реализации индикатора напряжения и тока была применена схема на pic-контроллере PIC16F690 и «супердоступных деталях», прошивку и описание работы которой можно найти в сети.

Данная электрическая схема зарядного устройства, конечно же, не претендует на звание «эталонной», но она в полной мере способна заменить дорогостоящие зарядные устройства промышленного производства, а по функциональности может даже значительно превзойти многие из них. В окончании стоит сказать, что последняя схема универсального зарядного устройства рассчитана главным образом на человека, подготовленного в радиоконструировании. Если же вы только начинаете, то лучше в мощном зарядном устройстве применить гораздо более простые схемы на обычном мощном трансформаторе, тиристоре и системе его управления на нескольких транзисторах. Пример электрической схемы такого зарядного устройства приведён на фото ниже.

Смотрите также схемы:

Простой контроллер заряда Li-Ion аккумуляторов

Принципиальная схема контроллера заряда для двух Li-Ion аккумуляторов

Описане принципиальной схемы

U1 — микросхема LM317 в корпусе TO220
Q1 — транзистор BC546 (BC547, BC549)
D1 — диод Шоттки на ток 1A и максимальное напряжение 30 — 40 вольт.
С1, С2 — керамический конденсатор на 1 мкф 50В
R1 — Постоянный резистор 1 Ом 0.5 Вт
R3 — Постоянный резистор 470 Ом 0.125 Вт
R4 — Постоянный резистор 2.2 k 0.125 Вт
R2 — Подстроечный резистор 1К

Зарядное устройство основано на регулируемом интегральном стабилизаторе напряжения LM317. На транзисторе Q1 собран узел ограничения тока заряда. С транзистором BC546 и резистором на 1 ом максимальный зарядный ток у меня составляет около 500мА. Нужно помнить, что через этот резистор течет зарядный ток аккумулятора, поэтому если вы планируете заряжать батарею током более 500 мА стоит применить резистор мощностью 1 Вт. максимальный зарядный ток устанавливается подбором этого резистора. Чем меньше сопротивление тем больше зарядный ток и наоборот.
   

    
Подстроечным резистором R2 устанавливаем выходное напряжение устройства. То есть то максимальное напряжение, до которого будет заряжена аккумуляторная батарея. Для двух литий ионных аккумуляторов максимальное напряжение равно 8.4 В. Но для большей безопасности и продления срока службы аккумуляторов я бы посоветовал установить это напряжение в районе 8.2 — 8.3 В. Установку этого напряжения нужно производить не подключая аккумулятор. Вместо аккумулятора подключаем к клемам Out+ и Out- резистор сопротивлением 100 ом и вращением движка R2 устанавливаем напряжение 8.2- 8.3 В.  Убираем резистор и подключаем к устройству аккумуляторы. Проверяем ток, который течет через батарею и оставляем батарею заряжаться, периодически измеряя на ней напряжение. Зарядный ток будет уменьшаться по мере приближения напряжения на батарее к установленному уровню. Убедитесь что напряжение на каждом из аккумуляторов в конце заряда не превышает 4.2 вольта. Если даже на одном из аккумуляторов напряжение больше, то придется уменьшить напряжение заряда поворотом движка R2. На этом настройку устройства можно считать законченной
   

   
ВНИМАНИЕ! Микросхема LM317 нагревается в процессе заряда аккумуляторов, поэтому ее необходимо устанавливать на небольшом радиаторе.

Печатная плата зарядного устройства была разработана под выводные компоненты в программе DipTrace. Все файлы проекта печатной платы вы можете скачать по ссылке в конце статьи. Плата была изготовлена на моем станке CNC1610 методом гравировки. Как это происходит вы можете посмотреть в видео ролике про самодельную Bluetooth колонку.

Схемы зарядных устройств и выпрямителей для аккумуляторов

Наиболее выгодными и удобными источниками питания карманных приемников являются герметизированные никель-кадмиевые аккумуляторы, которые отличаются высокой удельной емкостью, большой механической прочностью, малым внутренним сопротивлением и, самое главное, возможностью многократного их применения после соответствующей зарядки. Они выдерживают большое число циклов заряд-разрядов, что обеспечивает большой срок службы.

Заряжать аккумуляторы можно от любого источника постоянного тока, обеспечивающего нормальный зарядный ток. Чтобы не испортить аккумуляторы при заряде, необходимо строго соблюдать полярность включения и не превышать зарядный ток, указанный в таблице, в противном случае отдельные аккумуляторные элементы разрушатся (могут взорваться). Не рекомендуется также разряжать аккумулятор до напряжения ниже 1 в (на элемент).

Таблица

Схема простого зарядного устройства

Простейшая схема выпрямительного устройства для зарядки аккумуляторной батареи от сети переменного тока приведена на рис. 1. Как видно из рисунка, в качестве вентиля использован диод Д1, который пропускает ток только в прямом направлении.

При подключении к выпрямителю переменного напряжения через диод, а следовательно, и через аккумулятор Ак будут протекать отдельные импульсы электрического тока одного направления. Такой ток называется пульсирующим.

Рис. 1. Схема бестрансформаторного зарядного устройства для аккумуляторов 7Д-0,1.

Резисторы R1, R2 служат для ограничения величины зарядного тока до требуемой величины. На рис. 1 приведены сопротивления резисторов для зарядки аккумуляторов типа 7Д-0,1.

Переключатель В1 позволяет включать выпрямитель для работы от сети переменного тока напряжением 127 или 220 в. Выпрямители, предназначенные для зарядки аккумуляторов, называют зарядными устройствами (ЗУ).

Недостатком приведенной схемы является наличие гасящих резисторов, на которых бесполезно рассеивается мощность. Нагрев резисторов приводит к повышению температуры корпуса, в котором обычно монтируется ЗУ, а это резко снижает величину допустимого обратного напряжения диода и может привести к выходу его из строя.

Зарядное устройство с конденсатором

Наибольшее распространение находят зарядные устройства, в которых в качестве ограничительного сопротивления используется безваттное сопротивление —  конденсатор постоянной емкости (рис 2).

Работает такое ЗУ следующим образом. Во время одного полупериода переменного напряжения, когда на гнезде 1 питающей сети получается положительная полярность, а на гнезде 2 отрицательная, через диод Д1 проходит ток, заряжающий конденсатор С1.

Рис. 2. Схема бестрансформаторного зарядного устройства с конденсатором для аккумуляторов.

При этом правая обкладка конденсатора С1 оказывается заряженной положительно. В следующий полупериод, когда полярность напряжения на гнездах 1— 2 изменится, происходит перезарядка конденсатора С1 и через диод Д2 и аккумулятор пройдет импульс тока, величина которого зависит (при данных напряжениях сети и аккумулятора) от емкости конденсатора С1.

Таким образом, изменяя емкость этого конденсатора, можно изменять величину зарядного тока. Рабочее напряжение конденсатора С1 должно быть не менее 350 и 600 в для сети 127 и 220 в соответственно.

Конденсатор С1 должен быть обязательно бумажным. Необходимую емкость обычно получают путем параллельного соединения нескольких конденсаторов с различными номиналами.

Зарядное устройство с диодным мостом

На рис. 3 представлен другой вариант ЗУ, которое используется для зарядки аккумулятора типа 7Д-0.1 в приемнике «Селга». В этом устройстве выпрямительная часть собрана по обычной мостовой схеме па диодах Д1— Д4.

Для получения необходимого зарядного тока используются конденсаторы С1, С2 типа МБМ, сравнительно небольшой емкости, что является преимуществом этой схемы по сравнению с предыдущей.

Рис. 3. Другой вариант ЗУ, которое используется для зарядки аккумулятора типа 7Д-0,1.

При напряжении сети 127 в, переключателем В1 оба конденсатора соединяют параллельно. Резистор R1 ограничивает максимальную величину импульса тока.

Резистор R2 служит для разрядки конденсаторов после отключения ЗУ от сети. (R2 — 470 ком).

Выпрямитель для зарядки аккумуляторов

Для зарядки аккумуляторов напряжением 2,5 или 3,75 а можно воспользоваться схемой ЗУ, приведенной на рис. 4. Подобным устройством снабжены приемники «Космос».

По этой же схеме смонтированы и ЗУ приемников «Рубин», «Сюрприз» и др. Сопротивление резисторов R3, R2 выбирают равными: 620 ом — для зарядки аккумуляторов типа 2Д— 0,1. 3 ком — для аккумуляторов типа 2Д— 0,06 и 1,6 ком — для аккумуляторов типа ЗД— 0,1.

Рис. 4. Схема для зарядки аккумуляторов напряжением 2,5 или 3,75.

Выпрямитель собран по двухполупериодной схеме на диодах Д1, Д2 Функции гасящих резисторов выполняют конденсаторы С1, С2, соединенные последовательно.

При работе ЗУ от сети напряжением 127 а, конденсатор С1 замыкается переключателем В1. Такая схема переключения позволяет использовать конденсаторы с меньшим рабочим напряжением.

Резисторы R2, R3 и R1 имеют то же назначение, что и соответствующие резисторы R1 и R2 в схеме рис. 3 .

Зарядно-питающий блок

На рис. 5 приведена схема зарядно-питающего блока, основной частью которого является выпрямитель со стабилизацией выходного напряжения. С помощью ручного регулятора выходное напряжение может быть установлено в пределах 1— 14 а при токе нагрузки до 300 ма.

Выпрямитель собран по двухполупериодной мостовой схеме на диодах Д1— Д4. Выпрямленное напряжение поступает на вход транзисторного стабилизатора, смонтированного на составном транзисторе Т1.Т2 и стабилитроне Д5, создающем опорное напряжение на базе транзистора Т1 Напряжение на выходе такого стабилизатора (гнездах Гн1, Гн2) близко к опорному, поэтому если его изменять с помощью потенциометра R1 будет изменяться и напряжение на нагрузке.

Подобная схема стабилизатора позволяет получить стабилизированное напряжение с малым внутренним сопротивлением источника питания и с малым коэффициентом пульсаций, что обеспечивает высокое качество звучания транзисторного приемника при питании его от сети.

При использовании блока для зарядки аккумуляторов переключатель В1 устанавливается в положение 1. Аккумулятор присоединяют к гнездам Гн3, Гн4. Сопротивление резистора R4 зависит от типа аккумулятора, используемого в приемнике, и подбирается опытным путем.

Чтобы ослабить помехи, проникающие из сети в цепи приемника, между обмотками / и // трансформатора Тр1 имеется электростатический экран, а каждая из секций Іа, 1б заблокирована конденсаторами С1, С2.

Трансформатор Тр1 выполнен на сердечнике УШ16, толщина набора 32 мм. Обмотка /а содержит 1270 витков провода ПЭВ-1 0,15; обмотка 1б — 930 витков провода ПЭВ-1, 0,12.

Электростатический экран имеет один слой провода ПЭВ-1 0,12. Обмотка П содержит 160—170 витков провода ПЭВ-1 0,47. В качестве изоляционных прокладок между обмотками и электростатическим экраном используют тонкую вощенную бумагу (1— 2 слоя).

Практически при изготовлении такого блока можно использовать любой трансформатор питания, у которого оставляют только сетевую обмотку, а число витков обмотки накала увеличивают в 2,5— 3 раза.

В блоке можно использовать транзисторы П13—П16, МП39—МП42, МП104— МП 106 (Т1), П201—П203, П213, П214 (Т2), диоды Д7, Д226, конденсаторы К50— 6, резисторы МЛТ, СП и др.

Рис. 5. Схема зарядно-питающего блока.

Конструктивное оформление устройства может быть самым различным. Если все детали исправны и при монтаже не допущено ошибок, оно сразу начинает работать. После включения в сеть, переключатель В1 устанавливают в положение 2 и измеряют напряжение на гнездах Гн1, Гн2.

При вращении ручки потенциометра R1 по часовой стрелке выходное напряжение должно плавно изменяться от нуля до значения, соответствующего напряжению стабилизации стабилитрона.

Затем включают миллиамперметр последовательно со стабилитроном (в точку «а») и подбирают сопротивление резистора R2 так, чтобы при отсутствии нагрузки ток через стабилитрон был равен .15— 20 ма. На этом налаживание заканчивается.

Для удобства работы шкалу потенциометра R1 желательно проградуировать в вольтах.

Подобный зарядно-питающий блок представляет интерес для радиолюбителей, занимающихся конструированием различной транзисторной аппаратуры В том случае, если от блока требуется получить фиксированное напряжение 6, 9, 12 а, нужно потенциометр R1 из схемы исключить и базу транзистора Т1 присоединить к верхнему (по схеме) концу резистора R2.

Для получения напряжения порядка 6 а надо использовать стабилитрон типа КС156А, 9 в — Д809, 12 а— Д813. После установки нужного стабилитрона, резистором R2 устанавливают необходимый ток стабилизации: порядка 20— 25 ма для стабилитрона Д809, 14— 16 ма для стабилитрона Д813 н 45— 50 ма для стабилитрона КС156А.

Источник: С. Л. Матлин — Радиосхемы (пособие для радиокружков), 1974г.

Как сделать индикатор заряда аккумулятора на светодиодах?

Успешный пуск автомобильного двигателя во многом зависит от состояния заряда аккумулятора. Регулярно проверять напряжение на клеммах с помощью мультиметра – неудобно. Гораздо практичнее воспользоваться цифровым или аналоговым индикатором, расположенным рядом с приборной панелью. Простейший индикатор заряда аккумулятора можно сделать своими руками, в котором пять светодиодов помогают отслеживать постепенный разряд либо заряд батареи.

Принципиальная схема

Рассматриваемая принципиальная схема индикатора уровня заряда представляет собой простейшее устройство, отображающее уровень заряда аккумулятора (АКБ) на 12 вольт.

Её ключевым элементом является микросхема LM339, в корпусе которой собрано 4 однотипных операционных усилителя (компаратора). Общий вид LM339 и назначение выводов показан на рисунке. Прямые и инверсные входы компараторов подключены через резистивные делители. В качестве нагрузки используются индикаторные светодиоды 5 мм.

Диод VD1 служит защитой микросхемы от случайной смены полярности. Стабилитрон VD2 задаёт опорное напряжение, которое является эталоном для будущих измерений. Резисторы R1-R4 ограничивают ток через светодиоды.

Принцип работы

Работает схема индикатора заряда аккумулятора на светодиодах следующим образом. Застабилизированное с помощью резистора R7 и стабилитрона VD2 напряжение 6,2 вольт поступает на резистивный делитель, собранный из R8-R12. Как видно из схемы между каждой парой этих резисторов формируются опорные напряжения разного уровня, которые поступают на прямые входы компараторов. В свою очередь, инверсные входы объединены между собой и через резисторы R5 и R6 подключены к клеммам аккумуляторной батарее (АКБ).

В процессе заряда (разряда) аккумулятора постепенно изменяется напряжение на инверсных входах, что приводит к поочередному переключению компараторов. Рассмотрим работу операционного усилителя OP1, который отвечает за индикацию максимального уровня заряда АКБ. Зададим условие, если заряженный аккумулятор имеет напряжение 13,5 В, то последний светодиод начинает гореть. Пороговое напряжение на его прямом входе, при котором засветится этот светодиод, рассчитаем по формуле:
U_OP1+ = U_{СТ VD2} – U_R8,
U_{СТ VD2} =U_R8+ U_R9+ U_R10+ U_R11+ U_R12 = I*(R8+R9+R10+R11+R12)
I= U_{СТ VD2} /(R8+R9+R10+R11+R12) = 6,2/(5100+1000+1000+1000+10000) = 0,34 мА,
U_R8 = I*R8=0,34 мА*5,1 кОм=1,7 В
U_OP1+ = 6,2-1,7 = 4,5 В

Это означает, что при достижении на инверсном входе потенциала величиной более 4,5 вольт компаратор OP1 переключится и на его выходе появится низкий уровень напряжения, а светодиод засветится. По указанным формулам можно рассчитать потенциал на прямых входах каждого операционного усилителя. Потенциал на инверсных входах находят из равенства: U_OP1- = I*R5 = U_БАТ – I*R6.

Печатная плата и детали сборки

Печатная плата изготавливается из одностороннего фольгированного текстолита размером 40 на 37 мм, которую можно скачать здесь. Она предназначена для монтажа DIP элементов следующего типа:

• резисторы МЛТ-0,125 Вт с точностью не менее 5% (ряд Е24)
  R1, R2, R3, R4, R7, R9, R10, R11– 1 кОм,
  R5, R8 – 5,1 кОм,
  R6, R12 – 10 кОм;
• диод VD1 любой маломощный с обратным напряжением не ниже 30 В, например, 1N4148;
• стабилитрон VD2 маломощный с напряжением стабилизации 6,2 В. Например, КС162А, BZX55C6V2;
• светодиоды LED1-LED5 – индикаторные типа АЛ307 любого цвета свечения.

Данную схему можно использовать не только для контроля напряжения на 12 вольтовых аккумуляторах. Пересчитав номиналы резисторов, расположенных во входных цепях, получаем светодиодный индикатор на любое желаемое напряжение. Для этого следует задаться пороговыми напряжениями, при которых будут включаться светодиоды, а затем воспользоваться формулами для пересчёта сопротивлений, приведенные выше.

Схема зарядного устройства для аккумулятора от GSM-телефона (LM317)

Приведена принципиальная схема зарядного устройства,именно для аккумулятора, а не для сотового телефона, оно построено на микросхеме-стабилизаторе LM317. Разница в том, что схема зарядки сотового телефона состоит из внешнего блока питания, обычно, напряжением 5-5,5V и внутренней схемы контроллера зарядки.

То есть, фактически, собственно зарядное устройство содержится внутри сотового телефона, а то, что называют зарядным устройством, — это всего лишь блок питания для него.

Если потеряно, так называемое, зарядное устройство, его можно купить или использовать любой другой источник постоянного тока напряжением 5-5,5V и током 0,5-1 А. Это особенно просто сейчас, когда у всех сотовых телефонов для зарядки используется один из стандартных USB-разъемов.

Куда хуже, если вышло из строя само зарядное устройство, то которое находится внутри сотового телефона, или более частый случай — сломали разъем для подключения блока питания. Как быть в этом случае? Ремонт осложняется необходимостью разборки сотового телефона и весьма «ювелирной» пайкой. Практически, можно больше навредить, чем починить.

Но есть другой вариант, — заряжать от внешнего зарядного устройства. Для этого можно приобрести, так называемую «Лягушку» или сделать простейшее зарядное устройство самому, например, по схеме показанной на рисунке в этой статье. Ведь, фактически, нам нужно только взять блок питания (или любой другой источник тока напряжением 5V и током не ниже 0,5А), и подать с него напряжение на заряжаемый аккумулятор, но не непосредственно, а через стабилизатор тока зарядки.

Схема зарядного устройства

Вот простейшая схема этого стабилизатора тока и показана на этом рисунке. Схема работает в двух режимах, режиме быстрой зарядки и режиме медленной, щадящей зарядки.

Рис. 1. Принципиальная схема зарядного устройства для аккумулятора от GSM-телефона (LM317).

Применение

При быстрой зарядке выходной ток, поступающий на аккумулятор, ограничивается на уровне 0,5А. Что, в большинстве случаев, составляет от 0,3 до 0,7 номинального тока аккумулятора, и укладывается в допустимые пределы тока быстрой зарядки.

Однако, при этом, нужно внимательно следить за временем зарядки и за температурой батареи. Время зарядки можно рассчитать, разделив номинальный ток аккумулятора на 0,5 А. То есть, если ток на аккумуляторе указан, например, 800мА (0,8А), то время зарядки будет 0,8/0,5=1,6 часа. То есть, примерно, 1 час и 35 минут.

В режиме «Осторожно» ток всего 0,1 А, и заряжаться им аккумулятор можно оставить 8-10 часов. То есть, на ночь, особо не беспокоясь за перезарядку или перегрев.

Схема проста, остается только подобрать блок питания, им может быть, например, блок питания («зарядное устройство») для сотового телефона или лабораторный блок питания.

Горчук Н. В. РК-06-16.

ЗАРЯДКА АВТОМОБИЛЬНОГО АККУМУЛЯТОРА

   Аккумуляторные батареи машин как право служат нам не более 3-x лет, у кого больше, а у кого-то чуть меньше. Все автолюбители, особенно зимой, сталкивались с такой проблемой — зарядка аккумулятора села, а зарядного устройства для быстрой зарядки рядом нет. Достаточно мощные и качественные зарядные устройства стоят порядка 100уе, иногда и больше. Моя задача — ознакомить вас с работой такиx устройств и представить вашему вниманию простейшее зарядное устройство, который сможет повторить практически любой, кто отличает плюс от минуса:) 

   Итак, не смотря на простую конструкцию, данное зарядное устройство будет верой и правдой служить вам долгое время. Поскольку эта статья для начинающиx радиолюбителей, было решено отказаться от сложниx контролеров и микросxем, чтобы облегчить нашу задачу. Предлагаемое зарядное устройство имеет большую мощность и два режима зарядки аккумулятора: 1-быстрая зарядка, 2- сравнительно медленная, но качественная. Нужен всего лишь трансформатор от черно — белого телевизора производства СССР, диодный мост от старого динама автомобиля, удобный корпус, провода, вилка, один светодиод любого цвета и выключатель с двумя положениями, выключатель расчитан на ток 250 вольт минимум 6 ампер. 

   Разбираем трансформатор и снимаем с него все вторичные отмотки оставляя только сетевую. Дальше берем провод диаметром минимум 1 миллиметр и мотаем одну из катушек. Мотаем примерно 45 витков, делаем отвод, затем мотаем еще 10 витков. После намотки собираем трансформатор так, как было изначально. Берем диоды и подключаем как на сxеме, если нет диодов из динама, можно использовать и другие, типа КД2010, но обязательно с радиаторами, поскольку они будут греться. Резистор R1-600 oм, если такого резистора нету, то можно брать любой сопротивлением от 500 до 1,5 килоом. Больше смысла нет, светодиод не будет светиться, а если поставить меньше — он сгорит. Выключатель тоже подключаем следуя фотографиям и схеме зарядки. Готовую зарядку для автомобильного аккумулятора вставляем в корпус. 

   Мне повезло — добрые люди подарили корпус от сгоревшего стабилизатора напряжения, все выкинул из нее оставив только внешний дизайн (кнопки вольтметры и светодиоды). Вот наше зарядное устройство и готово. Переключением положения выключателя — изменяем напряжение и соответственно зарядный ток. При медленной зарядке устройство заряжает аккумулятор в течении 3-x часов (при емкости АКБ 60ма/час), при быстрой зарядке — 2 часа. Если у вас тоже нет трансформатора от ч/б телевизора, можно использовать любой готовый с мощностью от 100 до 300 ватт. Мой совет автолюбителям: если даже ваш аккумулятор отлично работает и не требует предварительной зарядки, все равно заряжайте его, пусть и не долго, но заряжайте — это существенно увеличит срок службы аккумулятора. Автор статьи — АКА.

   Форум по зарядным устройствам

   Форум по обсуждению материала ЗАРЯДКА АВТОМОБИЛЬНОГО АККУМУЛЯТОРА

Схема и описание устройства для подзарядки автомобильных аккумуляторов

Схема и описание простого самодельного подзарядного устройства для 12 вольтовых автомобильных аккумуляторов.

Для того чтобы длительное хранение не приводило к порче аккумуляторной батареи ее нужно постоянно поддерживать в заряженном состоянии. Заводы изготовители рекомендуют заряжать аккумуляторы током, равным 0,1 от номинальной емкости (т.е. для 6СТ-55 ток зарядки будет 5,5 А), но это годится только для быстрой зарядки «посаженной» батареи.

Как показывает практика, для подзарядки аккумулятора в процессе длительного хранения требуется небольшой ток, около 0,1…0,3 А (для 6СТ-55).

Если хранящийся аккумулятор, периодически, примерно раз в месяц, ставить на такую подзарядку на 2 — 3 дня, то можно быть уверенным в том, что он в любой момент будет готов к эксплуатации, даже через несколько лет такого хранения (проверено практически).

На рисунке показана простая схема самодельного»подзарядного» устройства.

Нажмите на рисунок для просмотра.

Схема подзарядного устройства представляет собой простой бестрансформаторный источник питания, выдающий постоянное напряжение 14,4 В, при токе до 0,4 А.

Источник построен по схеме параметрического стабилизатора с емкостным балластным сопротивлением. Напряжение от электросети поступает на мостовой выпрямитель VD1 — VD4 через конденсатор С1. На выходе выпрямителя включен стабилитрон VD5 на 14,4 В. Конденсатор С1 гасит избыток напряжения и ограничивает ток до величины не более 0,4 А. Конденсатор С2 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения.

Аккумуляторная батарея подключается параллельно VD5.

При саморазрядке батареи до напряжения ниже 14,4 В начинается ее «мягкая» зарядка слабым током, причем величина этого тока находится в обратной зависимости от напряжения на аккумуляторе. Но в любом случае (даже, при коротком замыкании) не превышает 0,4 А. При зарядке батареи до напряжения 14,4 В зарядный ток прекращается вовсе.

В устройстве использованы: конденсатор С1 — бумажный БМТ или любой неполярный на 3…5 мкФ и напряжение не ниже 300 В, С2 — К50-3 или любой электролитический на 100 — 500 мкФ, на напряжение не ниже 16 В; диоды выпрямителя VD1 — VD4 — Д226, КД105, КД208, КД209 и т.п.; стабилитрон Д815Е или другие на напряжение 14…14,5 В при токе не ниже 0,7 А.

Все устройство для подзарядки можно собрать в корпусе от сгоревшего сетевого адаптера для телевизионной игровой приставки. К аккумулятору оно подключается при помощи длинного кабеля (телефонный двухпроводный кабель) с большими «крокодилами» на концах.

При эксплуатации устройств подобного типа необходимо соблюдать правила безопасности при работе с электроустановками.

Читать далее — Схема автоматического зарядно-десульфатирующего устройства

Популярные схемы зарядных устройств:

Схема тиристорного зарядного устройства

Десульфатирующее зарядное устройство

Простое зарядное устройство

Схема автомата включения-выключения зарядного устройства

Разработка индивидуальной схемы зарядного устройства

Я разработал и опубликовал множество схем зарядного устройства на этом веб-сайте, однако читатели часто путаются при выборе правильной схемы зарядного устройства для своих индивидуальных приложений. И я должен подробно объяснить каждому из читателей, как настроить данную схему зарядного устройства для их конкретных нужд.

Это занимает довольно много времени, так как это то же самое, что я должен время от времени объяснять каждому из читателей.

Это побудило меня опубликовать этот пост, в котором я попытался объяснить стандартную конструкцию зарядного устройства аккумулятора и то, как настроить его несколькими способами в соответствии с индивидуальными предпочтениями с точки зрения напряжения, тока, автоматического отключения или полуавтоматических операций.

Правильная зарядка батареи имеет решающее значение

Три основных параметра, которые требуются всем батареям для оптимальной и безопасной зарядки:

1. Постоянное напряжение.
2. Постоянный ток.
3. Автоотключение.

Итак, по сути, это три основные вещи, которые необходимо применить для успешной зарядки аккумулятора, а также для обеспечения того, чтобы срок службы аккумулятора не пострадал в процессе.

Несколько расширенных и дополнительных условий:

Управление температурой.

и Пошаговая зарядка.

Два вышеуказанных критерия особенно рекомендуются для литий-ионных аккумуляторов, в то время как они могут быть не столь важны для свинцово-кислотных аккумуляторов (хотя для них нет никакого вреда в реализации этого критерия)

Давайте разберемся с вышеуказанными условиями поэтапно и посмотрите, как можно настроить требования в соответствии со следующими инструкциями:

Важность постоянного напряжения:

Все батареи рекомендуется заряжать при напряжении, которое может быть примерно на 17-18% выше, чем напряжение батареи, указанное на принтере. , и этот уровень не должен сильно увеличиваться или колебаться.

Следовательно, для аккумулятора 12 В значение составляет около 14,2 В, и его не следует сильно увеличивать.

Это требование называется требованием постоянного напряжения.

При наличии большого количества микросхем стабилизаторов напряжения на сегодняшний день создание зарядного устройства с постоянным напряжением занимает считанные минуты.

Самыми популярными среди этих микросхем являются LM317 (1,5 ампер), LM338 (5 ампер), LM396 (10 ампер). Все это микросхемы регулируемого регулятора напряжения, которые позволяют пользователю устанавливать любое желаемое постоянное напряжение в любом месте от 1.От 25 до 32 В (не для LM396).

Вы можете использовать IC LM338, который подходит для большинства батарей для достижения постоянного напряжения.

Вот пример схемы, которую можно использовать для зарядки любой батареи от 1,25 до 32 В с постоянным напряжением.

Схема зарядного устройства постоянного напряжения

Варьирование потенциометра 5 кОм позволяет установить любое желаемое постоянное напряжение на конденсаторе C2 (Vout), которое можно использовать для зарядки подключенного аккумулятора по этим точкам.

Для фиксированного напряжения вы можете заменить R2 на фиксированный резистор, используя следующую формулу:

VO = VREF (1 + R2 / R1) + (IADJ × R2)

Где VREF = 1,25

Поскольку IADJ слишком мал его можно игнорировать

Хотя постоянное напряжение может быть необходимо, в местах, где напряжение от входной сети переменного тока не слишком сильно меняется (вполне приемлемо увеличение / уменьшение на 5%), можно полностью исключить указанную выше схему и забыть о коэффициент постоянного напряжения.

Это означает, что мы можем просто использовать трансформатор с правильными номиналами для зарядки батареи, не учитывая условия постоянного напряжения, при условии, что входная сеть достаточно надежна с точки зрения его колебаний.

Сегодня, с появлением устройств SMPS, вышеупомянутая проблема полностью становится несущественной, поскольку все SMPS являются источниками питания постоянного напряжения и обладают высокой надежностью с учетом своих характеристик, поэтому, если доступен SMPS, указанная выше схема LM338 может быть определенно исключена.

Но обычно SMPS поставляется с фиксированным напряжением, поэтому в этом случае его настройка для конкретной батареи может стать проблемой, и вам, возможно, придется выбрать универсальную схему LM338, как описано выше … или если вы все еще хотите Во избежание этого вы можете просто изменить саму схему SMPS для получения желаемого зарядного напряжения.

В следующем разделе поясняется разработка индивидуальной схемы управления током для конкретного выбранного зарядного устройства.

Добавление постоянного тока

Так же, как и параметр «постоянное напряжение», рекомендуемый зарядный ток для конкретной батареи не должен сильно увеличиваться или колебаться.

Для свинцово-кислотных аккумуляторов скорость зарядки должна составлять примерно 1/10 или 2/10 от напечатанного значения Ач (ампер-часов) аккумулятора.Это означает, что если батарея рассчитана, скажем, на 100 Ач, то ее зарядный ток (ампер) рекомендуется на уровне 100/10 = минимум 10 ампер или (100 x 2) / 10 = 200/10 = 20 ампер максимум, это значение должно не увеличивать, желательно для поддержания нормального состояния батареи.

Однако для литий-ионных или липо-аккумуляторов критерий совершенно другой, для этих аккумуляторов скорость зарядки может быть такой же высокой, как и их скорость в ампер-часах, что означает, что если спецификация AH литий-ионной батареи составляет 2,2 Ач, то можно заряжать он на том же уровне, что и на 2.2 ампера. Здесь не нужно ничего делить и заниматься какими-либо вычислениями.

Для реализации функции постоянного тока снова становится полезным LM338, который может быть настроен для достижения параметра с высокой степенью точности.

Приведенные ниже схемы показывают, как можно сконфигурировать ИС для реализации зарядного устройства с регулируемым током.

Обязательно ознакомьтесь с этой статьей , которая предоставляет отличную и настраиваемую схему зарядного устройства.

Схема зарядного устройства с постоянным и постоянным током

Как обсуждалось в предыдущем разделе, если входная сеть достаточно постоянна, вы можете игнорировать правую часть LM338 и просто использовать левую схему ограничителя тока с либо трансформатор, либо SMPS, как показано ниже:

В приведенной выше схеме напряжение трансформатора может быть рассчитано на уровне напряжения батареи, но после выпрямления оно может быть немного выше указанного напряжения зарядки батареи.

Этой проблемой можно пренебречь, поскольку подключенная функция контроля тока заставит напряжение автоматически понижать избыточное напряжение до безопасного уровня напряжения зарядки аккумулятора.

R1 можно настроить в соответствии с потребностями, следуя инструкциям, представленным ЗДЕСЬ.

Диоды должны иметь соответствующий номинал в зависимости от зарядного тока и, предпочтительно, должны быть намного выше, чем указанный уровень зарядного тока.

Настройка тока для зарядки аккумулятора

В приведенных выше схемах указанная микросхема LM338 рассчитана на ток не более 5 А, что делает ее пригодной только для аккумуляторов до 50 Ач, однако у вас могут быть батареи с гораздо более высоким номиналом в порядка 100 AH, 200 AH или даже 500 AH.

Для них может потребоваться зарядка при более высоких скоростях тока, которых одного LM338 может быть недостаточно.

Чтобы исправить это, можно модернизировать или улучшить ИС, добавив больше ИС параллельно, как показано в следующем примере статьи:

Схема зарядного устройства 25 А

В приведенном выше примере конфигурация выглядит немного сложной из-за включения операционного усилителя. Однако небольшая работа показывает, что на самом деле микросхемы могут быть добавлены напрямую параллельно для увеличения выходного тока, при условии, что все микросхемы установлены на общем радиаторе, см. диаграмму ниже:

Любое количество микросхем может быть добавлено в показанный формат для достижения любого желаемого предела тока, однако для получения оптимального отклика от конструкции необходимо обеспечить две вещи:

Все ИС должны быть установлены на общем радиаторе, и все резисторы ограничения тока (R1) должны быть фиксируется с точно совпадающим значением, оба параметра необходимы для обеспечения равномерного распределения тепла между ИС и, следовательно, равного распределения тока на выходе для подключенной батареи .

До сих пор мы узнали, как настроить постоянное напряжение и постоянный ток для конкретного приложения зарядного устройства.

Однако без автоматического отключения цепь зарядного устройства может быть неполной и совершенно небезопасной.

До сих пор в наших уроках по зарядке аккумулятора мы узнали, как настроить параметр постоянного напряжения при создании зарядного устройства, в следующих разделах мы попытаемся понять, как реализовать автоматическое отключение при полной зарядке для обеспечения безопасной зарядки аккумулятора. подключенный аккумулятор.

Добавление автоматического отключения в зарядное устройство

В этом разделе мы узнаем, как можно добавить автоматическое отключение в зарядное устройство, что является одним из наиболее важных аспектов в таких схемах.

Простой каскад автоматического отключения может быть включен и настроен в выбранную схему зарядного устройства путем включения компаратора операционного усилителя.

Операционный усилитель может быть расположен так, чтобы обнаруживать повышение напряжения батареи во время ее зарядки и отключать зарядное напряжение, как только напряжение достигает полного уровня заряда батареи.

Возможно, вы уже видели эту реализацию в большинстве схем автоматического зарядного устройства, опубликованных на данный момент в этом блоге.

Концепцию можно полностью понять с помощью следующего пояснения и показанной имитации схемы в формате GIF:

ПРИМЕЧАНИЕ: Пожалуйста, используйте замыкающий контакт реле для входа зарядки вместо показанного замыкающего контакта. Это гарантирует, что реле не будет дребезжать при отсутствии батареи. Чтобы это работало, также не забудьте поменять местами входные контакты (2 и 3) друг с другом .

В приведенном выше эффекте моделирования мы видим, что операционный усилитель настроен как датчик напряжения батареи для определения порогового значения избыточного заряда и отключения питания батареи, как только это обнаруживается.

Предустановка на выводе (+) ИС настраивается таким образом, что при полном напряжении батареи (здесь 14,2 В) контакт № 3 приобретает более высокий потенциал, чем вывод (-) ИС, который фиксируется опорным сигналом. напряжение 4,7В с стабилитроном.

Вышеупомянутый источник «постоянного напряжения» и «постоянного тока» подключается к цепи, а аккумулятор через замыкающий контакт реле.

Первоначально напряжение питания и аккумулятор отключены от цепи.

Во-первых, разряженный аккумулятор может быть подключен к цепи, как только это будет сделано, операционный усилитель обнаруживает потенциал, который ниже (10,5 В, как предполагается здесь), чем уровень полного заряда, и из-за этого загорается КРАСНЫЙ светодиод. горит, указывая на то, что уровень заряда аккумулятора ниже полного.

Затем включается входной зарядный источник 14,2 В.

Как только это будет сделано, входное напряжение мгновенно опустится до напряжения батареи и достигнет 10.Уровень 5В.

Начинается процедура зарядки, и аккумулятор начинает заряжаться.

По мере увеличения напряжения на клеммах аккумулятора во время зарядки, соответственно увеличивается и напряжение на контакте (+).

И в тот момент, когда напряжение батареи достигает полного входного уровня, то есть уровня 14,3 В, контакт (+) также пропорционально достигает 4,8 В, что чуть выше, чем напряжение на контакте (-).

Это мгновенно заставляет выходной сигнал операционного усилителя повышаться.

Теперь КРАСНЫЙ светодиод погаснет, а зеленый светодиод загорится, указывая на действие переключения, а также на то, что аккумулятор полностью заряжен.

Однако то, что может произойти после этого, не показано в приведенном выше моделировании. Мы узнаем это из следующего объяснения:

Как только реле сработает, напряжение на клеммах батареи быстро упадет и восстановится до некоторого более низкого уровня, так как батарея 12 В никогда не будет поддерживать уровень 14 В постоянно и будет пытаться достичь 12.Отметка 8В примерно.

В настоящее время, в связи с этим условием, штифт (+) напряжение будет снова испытывать падение ниже заданного опорного уровня с помощью штифта (-), который будет еще раз подсказка реле отключается, и процесс зарядки будет снова инициирован .

Это включение / выключение реле будет продолжать циклически повторяться, издавая нежелательный «щелкающий» звук из реле.

Чтобы избежать этого, необходимо добавить в схему гистерезис.

Это достигается путем установки резистора высокого номинала на выходе и выводе (+) ИС, как показано ниже:

Добавление гистерезиса

Добавление указанного выше резистора гистерезиса предотвращает колебания реле ВКЛ / ВЫКЛ при пороговые уровни и блокирует реле до определенного периода времени (до тех пор, пока напряжение батареи не упадет ниже допустимого предела этого значения резистора).

Резисторы большего номинала обеспечивают меньшие периоды фиксации, в то время как резисторы меньшего номинала обеспечивают более высокий гистерезис или больший период фиксации.

Таким образом, из приведенного выше обсуждения мы можем понять, как правильно сконфигурированная схема автоматического отключения батареи может быть спроектирована и настроена любым любителем для его предпочтительных характеристик зарядки батареи.

Теперь давайте посмотрим, как может выглядеть вся конструкция зарядного устройства, включая постоянное напряжение / ток, установленное вместе с вышеуказанной конфигурацией отключения:

Итак, вот готовая индивидуальная схема зарядного устройства, которая может быть использована для зарядки любой батареи после настраивая его, как описано во всем нашем руководстве:

• Операционный усилитель может быть IC 741
• Предустановка = 10k предустановка
• , оба стабилитрона могут быть = 4.7 В, 1/2 Вт
• стабилитрон = 10 кОм
• Светодиодные и транзисторные резисторы также могут быть = 10 кОм
• Транзистор = BC547
• реле, диод = 1N4007
• реле = выбрать соответствие напряжения батареи.

Как зарядить аккумулятор без каких-либо из вышеперечисленных средств

Если вам интересно, можно ли заряжать аккумулятор, не подключая какие-либо из вышеупомянутых сложных схем и частей? Ответ — да, вы можете безопасно и оптимально заряжать любую батарею, даже если у вас нет ни одной из вышеупомянутых схем и деталей.

Перед тем, как продолжить, важно знать несколько важных вещей, которые требуются батарее для безопасной зарядки, а также то, что делает такие важные параметры «автоматическое отключение», «постоянное напряжение» и «постоянный ток».

Эти функции становятся важными, когда вы хотите, чтобы аккумулятор заряжался с максимальной эффективностью и быстро. В таких случаях вы можете захотеть, чтобы ваше зарядное устройство было оснащено многими расширенными функциями, как предложено выше.

Однако, если вы готовы согласиться с тем, что полный уровень заряда вашей батареи немного ниже оптимального, и если вы готовы предоставить еще несколько часов для завершения зарядки, то, безусловно, вам не потребуются какие-либо рекомендуемые функции. такие как постоянный ток, постоянное напряжение или автоматическое отключение, вы можете забыть обо всем этом.

Обычно аккумулятор не следует заряжать расходными материалами, мощность которых превышает номинал аккумулятора, указанный в печатной версии, это очень просто.

Это означает, что ваша батарея рассчитана на 12 В / 7 Ач, в идеале вы никогда не должны превышать полную скорость заряда выше 14,4 В, а ток выше 7/10 = 0,7 ампер. Если эти две скорости поддерживаются правильно, вы можете быть уверены, что ваша батарея в надежных руках и никогда не пострадает ни при каких обстоятельствах.

Поэтому, чтобы обеспечить выполнение вышеуказанных критериев и зарядить аккумулятор без использования сложных цепей, просто убедитесь, что входной источник питания, который вы используете, рассчитан соответствующим образом.

Например, если вы заряжаете аккумулятор 12 В / 7 Ач, выберите трансформатор, который вырабатывает около 14 В после выпрямления и фильтрации, а его ток рассчитан примерно на 0,7 ампер. То же правило может быть применимо и к другим батареям пропорционально.

Основная идея здесь состоит в том, чтобы параметры зарядки были немного ниже максимально допустимого значения. Например, аккумулятор 12 В может быть рекомендован для зарядки на 20% выше указанного значения, то есть 12 x 20% = 2.4 В выше 12 В = 12 + 2,4 = 14,4 В.

Поэтому мы стараемся поддерживать это значение немного ниже на уровне 14 В, что может не зарядить аккумулятор до оптимальной точки, но будет просто полезно для чего угодно, на самом деле, поддержание значения немного ниже увеличит срок службы аккумулятора, позволяя гораздо больше заряда / циклы разряда в долгосрочной перспективе.

Аналогичным образом, поддержание зарядного тока на уровне 1/10 от напечатанного значения Ач гарантирует, что аккумулятор заряжается с минимальным напряжением и рассеиванием, что продлевает срок службы аккумулятора.

Окончательная установка

Простая установка, показанная выше, может универсально использоваться для безопасной и оптимальной зарядки любой батареи, при условии, что у вас будет достаточно времени для зарядки или пока стрелка амперметра не опустится почти до нуля.

Конденсатор фильтра 1000 мкФ на самом деле не нужен, как показано выше, и его устранение фактически увеличило бы срок службы батареи.

Есть еще сомнения? Не стесняйтесь выражать их в своих комментариях.

Источник: зарядка аккумулятора

О компании Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель.Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть запрос, связанный со схемой, вы можете взаимодействовать с ним через комментарии, я буду очень рад помочь!

Как разработать трехступенчатую схему зарядки аккумулятора | Custom

Трехступенчатые зарядные устройства обычно называют интеллектуальными зарядными устройствами. Это высококачественные зарядные устройства, которые популярны для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов. Однако в идеале все типы аккумуляторов следует заряжать с помощью трехступенчатых зарядных устройств.Для более дорогих свинцово-кислотных аккумуляторов этот трехэтапный процесс зарядки сохраняет их работоспособность.

Прежде чем переходить к схемам трехступенчатого зарядного устройства, мы должны больше узнать о многоступенчатых зарядных устройствах и причинах их использования.

Что такое многоступенчатые зарядные устройства?

Многоступенчатые зарядные устройства определяют требования к батарее и автоматически переключаются в режим CC-CV, гарантируя оптимальную эффективность и более длительный срок службы батареи.Эти технологии зарядки аккумуляторов обычно используют микропроцессоры для регулируемой зарядки от 2 до 5 ступеней.

Двухступенчатое зарядное устройство имеет (очевидно) две ступени: накопительную и плавающую. Вы можете наблюдать эти этапы на общей схеме контроллера зарядного устройства для мобильных аккумуляторов. Здесь стадия накопления обычно упоминается как стадия повышения, на которой батарея заряжается высокими токами в течение короткого промежутка времени. Стадия плавающего режима, также называемая непрерывной зарядкой, происходит, когда батарея заряжается со скоростью саморазряда.

Некоторые зарядные устройства имеют стадию восстановления для восстановления разряженных батарей. Как упоминалось ранее, эти зарядные устройства повышают эффективность и продлевают срок службы аккумуляторов. Возможно, вы видели людей, заряжающих свинцово-кислотные (или другие дорогие) батареи от постоянного источника питания. Это как медленная смерть вашим батареям!

Трехэтапный процесс зарядки

Как следует из названия, в этом зарядном устройстве есть три стадии: накопление, абсорбция и поплавок.Обсудим каждый этап.

Зарядная ступень

Около 80% аккумулятора заряжается на основной ступени. Здесь обеспечивается постоянный ток 25% от номинального значения Ач. Например, в случае батареи 100 Ач подается постоянный ток 25 А, и со временем напряжение увеличивается.

Вы можете увеличить ток, подаваемый на аккумулятор, более чем на 25% от его емкости, что сократит время зарядки, но также может сократить срок службы аккумулятора, поэтому не рекомендуется применять ток более высокий, чем указано.Не забудьте ознакомиться с рекомендациями производителей по зарядке, некоторые батареи также указывают 10% емкости.

Стадия абсорбции

На стадии абсорбции заряжаются оставшиеся 20% батареи. Здесь зарядное устройство подает постоянный ток, такой же, как и напряжение поглощения зарядного устройства, которое зависит от вариантов зарядки, и это потребление тока уменьшается до тех пор, пока аккумулятор не будет полностью заряжен.

Однако иногда ток не падает должным образом.В этом случае в аккумуляторе может быть стойкое сульфатирование. Постоянное сульфатирование происходит, когда аккумулятор находился в состоянии низкого заряда в течение недель или более, и восстановление аккумулятора в этом случае невозможно.

Float Stage

На плавающей стадии зарядное устройство пытается поддерживать полностью заряженный аккумулятор в одном и том же состоянии на неопределенный срок. Здесь снижается напряжение и подается ток менее 1% от емкости батареи. Вы можете оставить зарядку аккумулятора в этом состоянии навсегда, и это не повредит аккумулятору.

Трехступенчатые схемы зарядки аккумулятора

Давайте поговорим об обычном аккумуляторе 12 В, 7 Ач. Его напряжение поглощения составляет от 14,1 В до 14,3 В, а напряжение холостого хода от 13,6 до 13,8 В. Зная это, нам нужна схема, в которой мы можем регулировать напряжение с течением времени, чтобы было легче контролировать его с помощью потенциометра, или мы можем использовать микроконтроллер задачи.

ИС регулятора напряжения LM317 — это первое, что приходит на ум для таких приложений.Вы можете выбрать LM338 или LM350 в соответствии с вашими текущими требованиями к емкости. Нам нужны резисторы на выводе регулировки микросхемы для управления выходным напряжением. Для этого мы используем потенциометры 5 кОм и 2 кОм, поскольку у нас есть фиксированный резистор стока на 270 Ом.

Автоматическая схема портативного зарядного устройства 12 В с использованием LM317

Вы когда-нибудь пытались разработать зарядное устройство, которое заряжает аккумулятор автоматически, когда напряжение аккумулятора ниже указанного? В этой статье объясняется, как разработать автоматическое зарядное устройство.

Зарядное устройство, расположенное ниже, автоматически прекращает процесс зарядки, когда аккумулятор полностью заряжен. Это предотвращает глубокую зарядку аккумулятора. Если напряжение аккумулятора ниже 12 В, то схема автоматически заряжает аккумулятор.

Схема автоматического зарядного устройства 12 В

Принципиальная схема автоматического зарядного устройства

Схема автоматического зарядного устройства в основном состоит из двух частей — блока питания и блока сравнения нагрузок.

Основное напряжение питания 230 В, 50 Гц подключено к первичной обмотке центрального ответвительного трансформатора для понижения напряжения до 15–0–15 В.

Выход трансформатора подключен к диодам D1, D2. Здесь диоды D1, D2 используются для преобразования низкого переменного напряжения в пульсирующее постоянное напряжение. Этот процесс также называется исправлением. Пульсирующее напряжение постоянного тока подается на конденсатор емкостью 470 мкФ для устранения пульсаций переменного тока.

Таким образом на выходе конденсатора нерегулируется постоянное напряжение.Это нерегулируемое напряжение постоянного тока теперь подается на регулятор переменного напряжения LM317 для обеспечения регулируемого напряжения постоянного тока.

Выходное напряжение этого регулятора напряжения изменяется от 1,2 В до 37 В, а максимальный выходной ток этой ИС составляет 1,5 А. Выходное напряжение этого регулятора напряжения изменяется путем изменения потенциометра 10 кОм, который подключен к регулировочному выводу LM317.

[Также прочтите: Как сделать регулируемый таймер]

Выход регулятора напряжения Lm317 поступает на аккумуляторную батарею через диод D5 и резистор R5.Здесь диод D5 используется для предотвращения разряда батареи при отключении основного питания.

При полной зарядке аккумулятора стабилитрон D6, подключенный в обратном направлении, проводит ток. Теперь база транзистора BD139 NPN получает ток через стабилитрон, так что полный ток заземлен.

В этой схеме зеленый светодиод используется для индикации заряда аккумулятора. Резистор R3 используется для защиты зеленого светодиода от высокого напряжения.

Выходное видео:

Принцип электрической цепи

Если напряжение аккумулятора ниже 12 В, то ток от микросхемы LM317 протекает через резистор R5 и диод D5 к аккумулятору.В это время стабилитрон D6 не будет проводить, потому что аккумулятор забирает весь ток для зарядки.

Когда напряжение батареи повышается до 13,5 В, ток в батарею прекращается, и стабилитрон получает достаточное напряжение пробоя и пропускает ток через него.

Теперь база транзистора получает ток, достаточный для включения, так что выходной ток регулятора напряжения LM317 заземляется через транзистор Q1. В результате красный светодиод указывает на полный заряд.

Настройки зарядного устройства

Выходное напряжение зарядного устройства должно быть в 1,5 раза меньше, чем напряжение аккумулятора, а ток зарядного устройства должен составлять 10% от тока аккумулятора. Зарядное устройство должно иметь защиту от перенапряжения, короткого замыкания и обратной полярности.

ПРИМЕЧАНИЕ : Также получите представление о том, как построить схему индикатора уровня заряда аккумулятора?

2. автоматическое зарядное устройство

Принципиальная схема

В этом проекте упоминается схема автоматического зарядного устройства для герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов.Это схема импульсного типа зарядного устройства, которая помогает продлить срок службы батарей. Работа этой схемы объясняется ниже.

LM317 действует как регулятор напряжения и устройство контроля тока. Стабилитрон 15 В используется для настройки LM317 на подачу напряжения 16,2 В на выходе при отсутствии нагрузки. Когда 2N4401 включен выходом 555, вывод ADJ LM317 заземлен, и его выходное напряжение составляет 1,3 В.

LM358 действует как компаратор и повторитель напряжения. LM336 используется для подачи опорного напряжения 2.5 В на неинвертирующую клемму (контакт 3) LM358. Сеть делителя напряжения используется для подачи части напряжения батареи на инвертирующий вывод (вывод 2) LM358.

Когда заряд аккумулятора достигает 14,5 В, входной сигнал инвертирующего терминала LM358 немного больше 2,5 В на контакте 3, установленном LM336. Это повысит выход 555.

В результате загорится красный светодиод и транзистор включится. Это приведет к заземлению вывода ADJ на LM317, и его выход упадет до 1,3 В.

Когда заряд в АКБ падает ниже 13.8 В, выход LM358 высокий, а выход 555 низкий. В результате напряжение течет от LM317 к аккумулятору, и зеленый светодиодный индикатор светится, указывая на зарядку.

[Связанное сообщение – Зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторов с использованием LM317]

3. зарядное устройство с использованием SCR

В этом проекте реализована схема автоматического зарядного устройства с использованием SCR. Его можно использовать для зарядки аккумуляторов 12 В. Батареи с разным потенциалом, например, 6 В и 9 В, также можно заряжать, выбрав соответствующие компоненты.Схема работы следующая.

Источник переменного тока преобразуется в 15 В постоянного тока с помощью трансформатора и мостового выпрямителя, и загорается зеленый светодиод. Выход постоянного тока представляет собой пульсирующий постоянный ток, поскольку после выпрямителя нет фильтра.

Это важно, поскольку тиристор перестает проводить ток, только когда напряжение питания равно 0 или когда он отключен от источника питания, и это возможно только при пульсирующем постоянном токе.

Первоначально SCR1 начинает проводить, поскольку он получает напряжение затвора через R2 и D5.Когда SCR1 является проводящим, через аккумулятор проходит 15 В постоянного тока, и аккумулятор начинает заряжаться. Когда аккумулятор почти полностью заряжен, он препятствует прохождению тока, и ток начинает течь через R5.

Он фильтруется с помощью C1, и когда потенциал достигает 6,8 В, стабилитрон ZD1 начинает проводить и подает напряжение затвора на SCR2, достаточное для его включения.

В результате ток протекает через SCR2 через R2, и SCR1 отключается, так как напряжение затвора и напряжение питания отключены.Красный светодиод горит, указывая на полную зарядку аккумулятора.

Знаю, как спроектировать схему автоматического отключения и автоматической зарядки аккумулятора с помощью SCR.

Создайте интеллектуальное зарядное устройство с использованием однотранзисторной схемы

Что вы узнаете:

• Модернизация токоприемников Стэнфордского университета.
• Техасская компания A&M изучает углеродные нанотрубки для предотвращения перегрева и выхода из строя литиевых батарей.

Технологический ландшафт загроможден обещаниями предположительно «лучших» батарей, которые выглядели многообещающими в лабораторных условиях, но просто не работали с коммерческой точки зрения, если предположить, что была даже попытка масштабирования их до пилотного запуска до фактической коммерциализации. .Хотя причины этой неспособности совершить скачок столь же разнообразны, как и сама батарея, это не означает, что новаторы перестали пытаться.

Теперь две независимые исследовательские группы — одна в Стэнфордском университете / SLAC, а другая в Техасском университете A&M — разработали, по их словам, более безопасные и лучшие батареи. Эти достижения обращаются к обоюдоострой реальности таких резервуаров электрохимической энергии на основе лития (Li-ion) — их высокой плотности энергии и рисков, связанных с такой плотностью.

Команда из Стэнфорда, работая с исследователями из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, модернизировала тонкие листы медной или алюминиевой фольги в батарее, называемые токоприемниками (один из самых тяжелых компонентов батареи), так что они весят 80 % меньше и немедленно тушите возгорание. Эти коллекторы распределяют ток, протекающий через электрод или выходящий из него, и составляют от 15% до 50% веса некоторых мощных или ультратонких батарей.

Команда поставила эксперименты по созданию и тестированию токоприемников на основе легкого полиимидного полимера, который устойчив к огню и выдерживает высокие температуры, создаваемые быстрой зарядкой аккумулятора. В полимер также был включен антипирен — трифенилфосфат или ТФФ; впоследствии он был покрыт на обеих поверхностях ультратонким слоем меди (рис. 1) .

1. Модернизированные токопроводы (тонкая металлическая фольга, которая распределяет ток между электродами) делают литий-ионные батареи легче, безопаснее и эффективнее.Они заменили полностью медный проводник (в центре) слоем легкого полимера, покрытого ультратонкой медью (вверху справа), и встроили антипирен в полимерный слой для тушения пламени (внизу справа). (Источник: Юшэн Е / Стэнфордский университет)

Медь, таким образом, выполняет свою роль распределения тока, но также защищает полимер и его внутренний антипирен и очень эффективна при тушении пожаров и вспышек (рис. 2) .

2. Под воздействием открытого пламени литий-ионные аккумуляторные батареи, изготовленные с использованием современных промышленных токосъемников (верхний ряд), загорелись и сильно сгорели, пока не сгорел весь электролит.Батареи с новыми негорючими коллекторами (нижний ряд) вызвали слабое пламя, которое погасло в течение нескольких секунд и не вспыхнуло снова, даже когда ученые попытались зажечь их заново. (Источник: Юшэн Е / Стэнфордский университет)

Это изменение снизило вес токосъемника на 80% по сравнению с современными версиями. Постдокторант Юшэн Е отметил, что это «приводит к увеличению плотности энергии от 16% до 26% в различных типах батарей, и они проводят ток так же хорошо, как и обычные коллекторы, без ухудшения характеристик».

Добавил И Цуй, профессор SLAC и Стэнфордского университета, который руководил исследованием: «Токосъемник всегда считался мертвым грузом, и до сих пор его не применяли для увеличения производительности батареи. Люди также пытались добавить антипирен в электролит аккумуляторной батареи, который является горючей частью, но вы можете добавить только столько, чтобы он стал вязким и больше не будет хорошо проводить ионы ».

Работа подробно описана в их статье под номером Nature «Сверхлегкие и пожаротушающие токосъемники для высокоэнергетических и высокобезопасных литий-ионных батарей» вместе с дополнительной информацией и множеством видеороликов (хотя основная статья находится позади платный доступ, его предварительная печать здесь).Исследователи также подали заявку на патент. Работа была поддержана Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США и Управлением автомобильных технологий в рамках программы eXtreme Fast Charge Cell Evaluation литий-ионных аккумуляторов (XCEL).

Подход Texas A&M к CNT

В Техасском университете A&M исследователи создали технологию, предотвращающую перегрев и выход из строя литиевых батарей. Их конструкция из углеродных нанотрубок (УНТ) для батарей позволяет безопасно хранить большое количество ионов лития, тем самым снижая риск возгорания.Кроме того, это поможет литиевым батареям заряжаться быстрее, чем имеющиеся сегодня в продаже батареи.

«Эта новая архитектура предотвращает накопление лития вне анода, что со временем может вызвать непреднамеренный контакт между содержимым двух отсеков батареи, что является одной из основных причин взрывов устройства», — сказал Джуран Но, выпускник факультета материаловедения. студент в команде.

Исследователи стремились преодолеть хорошо известную проблему дендритов, когда их рост в конечном итоге пробивает материал, разделяющий два отсека батареи, что приводит к короткому замыканию, которое может вызвать возгорание батареи.Растущие дендриты также отрицательно влияют на производительность батареи, потребляя ионы лития и делая их недоступными для генерации тока.

Команда разработала аноды с использованием углеродных нанотрубок в качестве каркаса с пространствами или порами для проникновения и осаждения ионов лития. Однако эти структуры нелегко связываются с ионами лития, что препятствует росту дендритов, но также препятствует способности батарей передавать большие токи.

Однако дополнительная «тонкая настройка» анодов УНТ с оптимальным количеством связывающих молекул предотвратила образование дендритов и позволила огромному количеству ионов лития связываться и распространяться по поверхности каркаса (рис.3) . Это увеличило способность батареи производить большие длительные токи.

3. Команда Texas A&M создала каркас из углеродных нанотрубок, который минимизирует рост дендритов, а также обеспечивает необходимую поверхность связывания для ионов лития. (Источник: Техасский университет A&M)

Как отметил Но: «Когда у нас было ровно нужное количество этих связывающих молекул, мы могли« расстегнуть »каркас углеродных нанотрубок только в определенных местах, позволяя ионам лития проходить и связываются со всей поверхностью каркасов, а не накапливаются на внешней поверхности анода и образуют дендриты.

В своем процессе они вставляли литий в пористые трехмерные структуры УНТ, поверхность которых была изменена для получения литиофобных, литиофильных и гибридных литиофобных / фильных характеристик («литио» относится к способности или тенденции материала «смачиваться» поверхность). Их результаты показали высокую емкость 16 мАч / см ² вместе с плотностью тока 8 мА / см ² , но без заметного образования дендритов или увеличения объема (еще одна распространенная проблема клеток).

Для анализа эффектов их изготовления они провели in-operando исследований профилей напряжения / тока ( в операнде означает «аналитическую методологию, в которой определение характеристик материалов, вступающих в реакцию, сочетается одновременно с измерением каталитической активности» и является более продвинутым, чем более известный анализ in situ ).

Их работа подробно описана в статье с, возможно, пугающим названием «Понимание внедрения лития в трехмерные пористые углеродные каркасы с гибридизированными литиофобными и литиофильными поверхностями, проведенными In-Operando Study», опубликованной в ACS Nano Letters .

Зарядка литий-ионных аккумуляторов требует точного измерения напряжения

Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы набирают популярность в портативных системах из-за их увеличенной емкости при тех же размерах и весе, что и у более старых никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов. Например, портативный компьютер с литий-ионным аккумулятором может работать дольше, чем аналогичный компьютер с никель-металлгидридным аккумулятором. Однако разработка системы для литий-ионных аккумуляторов требует особого внимания к схеме зарядки, чтобы обеспечить быструю, безопасную и полную зарядку аккумулятора.

Новая микросхема для зарядки аккумуляторов, ADP3810, разработана специально для управления зарядом литий-ионных аккумуляторов с 1-4 элементами. Доступны четыре высокоточных фиксированных варианта конечного напряжения батареи (4,2 В, 8,4 В, 12,6 В и 16,8 В); они гарантируют конечное напряжение батареи ± 1%, что так важно при зарядке литий-ионных батарей. Сопутствующее устройство, ADP3811, похоже на ADP3810, но его конечное напряжение батареи программируется пользователем для работы с другими типами батарей.Обе микросхемы точно контролируют зарядный ток, чтобы обеспечить быструю зарядку при токах 1 ампер и более. Кроме того, они оба имеют точность 2,0-V ссылку, и выход прямого оптопара привода для изолированных приложений.

Li-Ion Зарядка: Li-Ion аккумуляторы обычно требуют алгоритма зарядки с постоянным током и постоянным напряжением (CCCV). Другими словами, литий-ионная батарея должна заряжаться при заданном уровне тока (обычно от 1 до 1,5 ампер) до достижения конечного напряжения.На этом этапе схема зарядного устройства должна переключиться в режим постоянного напряжения и обеспечивать ток, необходимый для удержания батареи при этом конечном напряжении (обычно 4,2 В на элемент). Таким образом, зарядное устройство должно обеспечивать стабильные контуры управления для поддержания постоянное значение тока или напряжения, в зависимости от состояния батареи.

Основная задача при зарядке литий-ионного аккумулятора — реализовать полную емкость аккумулятора без перезарядки, которая может привести к катастрофическому отказу.Возможна небольшая погрешность, всего ± 1%. Избыточная зарядка более чем на + 1% может привести к выходу из строя батареи, а недостаточная зарядка более чем на 1% приводит к снижению емкости. Например, недозаряд литий-ионного аккумулятора всего на 100 мВ (-2,4% для литий-ионного элемента на 4,2 В) приводит к потере емкости примерно на 10%. Поскольку места для ошибок настолько малы, высокая точность требуется для зарядки управления circuitry.To достичь этой точность, контроллер должен иметь ссылку точности напряжения, усилитель с обратной связью с высоким коэффициентом усиления с низким смещением, и точно подобранный делитель сопротивления .Суммарные погрешности всех этих компонентов должны приводить к общей погрешности менее ± 1%. ADP3810, объединяющий эти элементы, гарантирует общую точность ± 1%, что делает его отличным выбором для зарядки литий-ионных аккумуляторов.

ADP3810 и ADP3811: На рисунке 1 показана функциональная схема ADP3810 / 3811 в упрощенной схеме зарядного устройства CCCV. Два усилителя « г, _м, , » (вход напряжения, выход тока) являются ключевыми для производительности ИС. GM1 определяет и контролирует заряд , ток через шунтирующее сопротивление, R _CS , а GM2 определяет и контролирует напряжение конечной батареи .Их выходы соединены в аналоговой конфигурации «ИЛИ», и оба спроектированы таким образом, что их выходы могут подключаться только к общему узлу COMP. Таким образом, либо усилитель тока, либо усилитель напряжения контролирует контур зарядки в любой момент времени. Узел COMP буферизирован выходным каскадом « г _м » (GM3), выходной ток которого напрямую управляет входом управления преобразователем постоянного тока (через оптопару в изолированных приложениях).

Рис. 1. Блок-схема ADP3810 / 3811 в упрощенной схеме зарядки аккумулятора.

ADP3810 включает прецизионные тонкопленочные резисторы для точного деления напряжения батареи и сравнения его с внутренним опорным напряжением 2,0 В. ADP3811 не включает эти резисторы, поэтому разработчик может запрограммировать любое конечное напряжение батареи с помощью пары внешних резисторов в соответствии с приведенной ниже формулой. Буферный усилитель обеспечивает вход с высоким импедансом для программирования зарядного тока с использованием входа VCTRL, а схема блокировки при пониженном напряжении (UVLO) обеспечивает плавный запуск.

Чтобы понять конфигурацию «ИЛИ», предположим, что полностью разряженный аккумулятор вставлен в зарядное устройство.Напряжение батареи значительно ниже конечного напряжения заряда, так что Vsense вход GM2 (подключен к батарее) приносит положительный вход GM2 значительно ниже внутреннего стандарта 2,0-V. В этом случае GM2 хочет вывести узел COMP на низкий уровень, но он может только подтянуть, поэтому он не оказывает никакого влияния на узел COMP. Поскольку батарея разряжена, зарядное устройство начинает увеличивать ток заряда, и токовая петля берет на себя управление. Ток заряда создает отрицательное напряжение на резисторе токового шунта (RCS) с сопротивлением 0,25 Ом.Это напряжение измеряется GM1 через резистор 20 кОм (R3). В состоянии равновесия ( I _CHARGE R _CS ) / R ₃ = -V _CTRL /80 кОм. Таким образом, ток заряда поддерживается на уровне

.

Если ток заряда имеет тенденцию превышать запрограммированный уровень, вход V _CS GM1 принудительно становится отрицательным, что приводит к высокому уровню на выходе GM1. Это, в свою очередь, подтягивает узел COMP, увеличивая ток с выходного каскада, уменьшая привод блока преобразователя постоянного / постоянного тока (который может быть реализован с различными топологиями, такими как возвратный, понижающий или линейный каскад), и, наконец, уменьшение зарядного тока.Эта отрицательная обратная связь завершает контур управления зарядным током.

Когда батарея приближается к своему конечному напряжению, входы GM2 приходят в равновесие. Теперь GM2 подтягивает узел COMP к высокому уровню, и выходной ток увеличивается, в результате чего ток заряда уменьшается, поддерживая равенство V _SENSE и V _REF . Управление зарядным контуром изменено с GM1 на GM2. Поскольку коэффициент усиления двух усилителей очень высок, переходная область от управления током к управлению напряжением очень резкая, как показано на рисунке 2.Эти данные были измерены на 10-вольтовой версии автономного зарядного устройства, показанной на Рисунке 3.

Рис. 2. Изменение тока / напряжения зарядного устройства ADP3810 CCCV

Полное автономное литий-ионное зарядное устройство: На рис. 3 показана полная система зарядки с использованием ADP3810 / 3811. В этом автономном зарядном устройстве используется классическая архитектура с обратным ходом для создания компактной и недорогой конструкции. Три основных участка этой схемы — это контроллер первичной стороны, силовой полевой транзистор и трансформатор обратного хода, а также контроллер вторичной стороны.В этой конструкции используется ADP3810, напрямую подключенный к батарее, для зарядки 2-элементной литий-ионной батареи до 8,4 В при программируемом токе заряда от 0,1 до 1 А. Диапазон входных значений от 70 до 220 В переменного тока — для универсальной работы. .Используемый здесь широтно-импульсный модулятор первичной стороны — это промышленный стандарт 3845, но могут использоваться и другие компоненты ШИМ. Фактические выходные характеристики зарядного устройства контролируются ADP3810 / 3811, что гарантирует конечное напряжение в пределах ± 1%.

Рисунок 3. Полное автономное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов

Токовый привод управляющего выхода ADP3810 / 3811 напрямую подключается к фотодиоду оптопары без дополнительных схем.Его выходной ток 4 мА позволяет управлять различными оптопарами — здесь используется MOC8103. Ток фототранзистора протекает через R _F , устанавливая напряжение на выводе COMP 3845 и, таким образом, управляя рабочим циклом ШИМ. Контролируемый импульсный стабилизатор спроектирован так, что повышенный ток светодиода от оптопары снижает рабочий цикл преобразователя.

Хотя сигнал от ADP3810 / 3811 управляет средним зарядным током , первичная сторона должна иметь циклическое ограничение тока переключения.Этот предел тока должен быть спроектирован таким образом, чтобы при отказе или неисправности вторичной цепи или оптопары или во время запуска компоненты первичной силовой цепи (полевой транзистор и трансформатор) не подвергались перенапряжению. Когда напряжение вторичной обмотки V _CC превышает 2,7 В, ADP3810 / 3811 берет на себя управление и регулирует средний ток. Предел тока первичной стороны устанавливается резистором считывания тока 1,6 Ом, подключенным между силовым транзистором NMOS, IRFBC30 и землей.

ADP3810 / 3811, ядро ​​вторичной стороны, устанавливает общую точность зарядного устройства.Для выпрямления требуется только один диод (MURD320), и никакой катушки индуктивности фильтра не требуется. Диод также предотвращает обратный запуск зарядного устройства при отключении входного питания. Конденсатор емкостью 1000 мкФ (CF1) поддерживает стабильность при отсутствии батареи . RCS определяет средний ток (см. Выше), и ADP3810 подключается напрямую (или ADP3811 через делитель) к батарее, чтобы определять и контролировать ее напряжение.

С этой схемой реализовано полностью автономное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов.Топология обратного хода сочетает преобразователь переменного тока в постоянный со схемой зарядного устройства, что дает компактный и недорогой дизайн. Точность этой системы зависит от контроллера вторичной стороны, ADP3810 / 3811. Архитектура устройства также хорошо работает в других схемах зарядки аккумуляторов. Например, стандартное зарядное устройство постоянного тока понижающего типа может быть легко сконструировано путем объединения ADP3810 и ADP1148. Простое линейное зарядное устройство также может быть разработано с использованием только ADP3810 и внешнего транзистора. Во всех случаях присущая ADP3810 точность управляет зарядным устройством и гарантирует конечное напряжение батареи ± 1%, необходимое для зарядки литий-ионных аккумуляторов.

Простые микросхемы зарядного устройства для любой химии

Предпосылки

Для многих устройств с батарейным питанием обычно требуется широкий выбор источников заряда, химического состава батарей, напряжений и токов. Например, промышленные, высокопроизводительные, многофункциональные потребительские, медицинские и автомобильные зарядные устройства требуют более высоких напряжений и токов, поскольку появляются новые аккумуляторные блоки большой емкости для всех типов аккумуляторных химикатов. Кроме того, солнечные панели с широким диапазоном уровней мощности используются для питания множества инновационных систем, содержащих перезаряжаемые герметичные свинцово-кислотные (SLA) и литиевые батареи.Примеры включают габаритные огни пешеходного перехода, портативные акустические системы, уплотнители мусора и даже огни морских буев. Более того, некоторые свинцово-кислотные (LA) батареи, используемые в солнечных батареях, представляют собой батареи глубокого цикла, способные выдерживать длительные повторяющиеся циклы зарядки в дополнение к глубоким разрядам. Хороший пример этого — глубоководные морские буи, обязательным условием которых является 10-летний срок эксплуатации. Другой пример — внесетевые (то есть отключенные от электроэнергетической компании) системы возобновляемых источников энергии, такие как солнечная или ветровая энергия, где время безотказной работы системы имеет первостепенное значение из-за трудностей с близким доступом.

Даже в несолнечных приложениях последние рыночные тенденции означают возобновление интереса к аккумуляторным элементам SLA большой емкости. Автомобильные или пусковые элементы SLA недороги с точки зрения соотношения цена / мощность и могут обеспечивать высокие импульсные токи в течение коротких промежутков времени, что делает их отличным выбором для автомобильных и других пусковых устройств транспортных средств. Встраиваемые автомобильные приложения имеют входное напряжение> 30 В, а в некоторых даже выше. Рассмотрим систему определения местоположения GPS, используемую в качестве средства защиты от кражи; линейное зарядное устройство с типичным входом 12 В с понижением до двух последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов (7.4 В) и нуждающиеся в защите от гораздо более высоких напряжений, могут быть полезны для этого приложения. Аккумуляторы глубокого разряда LA — еще одна технология, популярная в промышленных приложениях. У них более толстые пластины, чем у автомобильных аккумуляторов, и они рассчитаны на разряд до 20% от их общей емкости. Обычно они используются там, где мощность требуется в течение длительного времени, например, в вилочных погрузчиках и тележках для гольфа. Тем не менее, как и их литий-ионные аккумуляторы, аккумуляторы LA чувствительны к перезарядке, поэтому осторожное обращение во время цикла зарядки очень важно.

Решения на основе интегральных схем (IC)

покрывают лишь небольшую часть множества возможных комбинаций входного напряжения, напряжения заряда и тока заряда. Громоздкая комбинация микросхем и дискретных компонентов обычно использовалась для покрытия большинства оставшихся, более сложных комбинаций и топологий. Так продолжалось до 2011 года, когда компания Analog Devices обратилась к этому рыночному пространству приложений и упростила его с помощью своего популярного решения для зарядки с двумя микросхемами, состоящего из микросхемы контроллера зарядки аккумулятора LTC4000 в сочетании с совместимым преобразователем постоянного тока с внешней компенсацией.

Коммутационные и линейные зарядные устройства

ИС для зарядных устройств с традиционной линейной топологией часто ценились за их компактность, простоту и низкую стоимость. Однако к недостаткам этих линейных зарядных устройств относятся ограниченный диапазон входного напряжения и напряжения батареи, более высокое относительное потребление тока, чрезмерное рассеивание мощности, ограниченные алгоритмы прекращения заряда и более низкая относительная эффективность (эффективность ~ [VOUT / VIN] × 100%). С другой стороны, импульсные зарядные устройства для аккумуляторов также являются популярным выбором из-за их гибкой топологии, мультихимической зарядки, высокой эффективности зарядки (которая минимизирует нагрев для обеспечения быстрой зарядки) и широких диапазонов рабочего напряжения.Тем не менее, некоторые из недостатков переключаемых зарядных устройств включают относительно высокую стоимость, более сложную конструкцию на основе индукторов, потенциальное шумообразование и решения, занимающие большую площадь. Современный Лос-Анджелес, беспроводное питание, сбор энергии, солнечная зарядка, удаленный датчик и встроенные автомобильные приложения обычно питаются от высоковольтных линейных зарядных устройств по причинам, указанным выше. Однако существует возможность для более современного зарядного устройства с переключаемым режимом, которое устраняет связанные с этим недостатки.

Простое зарядное устройство Buck Battery

Некоторые из более сложных задач, с которыми сталкивается разработчик на начальном этапе разработки зарядного решения, — это широкий диапазон источников входного сигнала в сочетании с широким диапазоном возможных аккумуляторов, высокая емкость аккумуляторов, которые необходимо заряжать, и высокое входное напряжение.

Источники входного сигнала столь же широки, сколь и разнообразны, но некоторые из наиболее сложных из них, которые связаны с системами зарядки аккумуляторов: мощные настенные адаптеры с напряжением от 5 до 19 В и выше, выпрямленные системы на 24 В переменного тока, высокое сопротивление. солнечные батареи, аккумуляторы для автомобилей и тяжелых грузовиков / Humvee.Следовательно, из этого следует, что комбинация химического состава батарей, возможная в этих системах — на основе лития (Li-Ion, Li-Polymer, фосфат лития-железа (LiFePO4)) и на основе LA — еще больше увеличивает перестановки, что делает конструкцию еще более устрашающе.

Из-за сложности конструкции ИС существующие ИС для зарядки аккумуляторов в основном ограничиваются понижающей (или понижающей) или более сложной топологией SEPIC. Добавьте сюда возможность солнечной зарядки, и вы откроете множество других сложностей. Наконец, некоторые существующие решения заряжают батареи с несколькими химическими соединениями, а некоторые — со встроенной нагрузкой.Однако до сих пор ни одно зарядное устройство для ИС не обеспечивало всех необходимых характеристик производительности для решения этих проблем.

Новые многофункциональные компактные зарядные устройства

Понижающее устройство для зарядки ИС, которое решает проблемы, описанные выше, должно обладать большинством из следующих атрибутов:

• Широкий диапазон входного напряжения
• Широкий диапазон выходного напряжения для работы с несколькими батареями
• Гибкость — возможность заряжать несколько батарей химического состава
• Простая и автономная работа с бортовыми алгоритмами прекращения заряда (микропроцессор не требуется)
• Большой ток заряда для быстрой зарядки, большие элементы большой емкости
• Возможность солнечной зарядки
• Усовершенствованная упаковка для улучшения тепловых характеристик и экономии места

Когда несколько лет назад компания ADI разработала популярную микросхему контроллера зарядки аккумулятора LTC4000 (которая работает вместе с преобразователем постоянного тока с внешней компенсацией, образуя мощное и гибкое решение для зарядки двухчиповых аккумуляторов) несколько лет назад, это значительно упростило существующие решение, которое было довольно запутанным и громоздким.Чтобы включить управление PowerPath ^TM , функции повышения / понижения и ограничение входного тока, решения состояли из импульсного стабилизатора постоянного тока или контроллера зарядного устройства с понижающим переключением в паре с внешним контроллером повышения. , а также микропроцессор, а также несколько микросхем и дискретных компонентов. К основным недостаткам относятся ограниченный диапазон рабочего напряжения, отсутствие возможности подключения солнечной панели, невозможность заряжать аккумулятор любого химического состава и отсутствие прекращения заряда на борту. Перенесемся в настоящее, и теперь доступны более простые и гораздо более компактные монолитные решения для решения этих проблем.Понижающие зарядные устройства LTC4162 и LTC4015 от Analog Devices предоставляют однокристальные решения для понижающей зарядки с различными уровнями тока заряда и полным набором функций.

Зарядное устройство LTC4162

LTC4162 — это высокоинтегрированное синхронное монолитное понижающее зарядное устройство с мультихимическим режимом высокого напряжения и диспетчером PowerPath со встроенными функциями телеметрии и дополнительным отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT). Он эффективно передает питание от различных источников ввода, таких как настенные адаптеры, объединительные платы и солнечные панели, для зарядки литий-ионных / полимерных аккумуляторов, LiFePO4 или батарей LA, при этом обеспечивая питание нагрузки системы до 35 В.Устройство обеспечивает расширенный системный мониторинг и управление PowerPath, а также мониторинг состояния батареи. Хотя для доступа к наиболее продвинутым функциям LTC4162 требуется главный микроконтроллер, использование порта C I ² необязательно. Основные характеристики зарядки продукта можно отрегулировать, используя конфигурацию штыря и программирующие резисторы. Устройство обеспечивает точность регулирования тока заряда ± 5% до 3,2 А, регулировку напряжения заряда ± 0,75% и работает в диапазоне входного напряжения от 4,5 В до 35 В.Приложения включают портативные медицинские инструменты, устройства USB-питания (USB-C), военное оборудование, промышленные портативные компьютеры и защищенные ноутбуки / планшетные компьютеры.

Рисунок 1. Типовая схема применения LTC4162-L.

LTC4162 (см. Рисунок 1) содержит точный 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который непрерывно отслеживает многочисленные параметры системы по команде, включая входное напряжение, входной ток, напряжение батареи, ток батареи, выходное напряжение, температуру батареи. , температура кристалла и последовательное сопротивление батареи (BSR).Все параметры системы можно контролировать через двухпроводной интерфейс I ² C, а программируемые и маскируемые предупреждения гарантируют, что только интересующая информация вызовет прерывание. Алгоритм отслеживания активной точки максимальной мощности устройства глобально просматривает входной контур управления пониженным напряжением и выбирает рабочую точку для максимального извлечения энергии из солнечных панелей и других резистивных источников. Кроме того, его встроенная топология PowerPath отделяет выходное напряжение от батареи, тем самым позволяя портативному изделию запускаться мгновенно, когда источник зарядки применяется в условиях очень низкого напряжения батареи.Встроенные профили зарядки LTC4162 оптимизированы для аккумуляторов различного химического состава, включая литий-ионные / полимерные, LiFePO4 и LA. Как напряжение заряда, так и ток заряда могут автоматически регулироваться в зависимости от температуры аккумулятора в соответствии с рекомендациями JEITA или настраиваться индивидуально. Для LA непрерывная температурная кривая автоматически регулирует напряжение батареи в зависимости от температуры окружающей среды. Для любого химического состава может быть задействована дополнительная система регулирования температуры стыка фильеры, предотвращающая чрезмерный нагрев в условиях ограниченного пространства или в условиях высоких температур.См. Рисунок 2 для получения информации об эффективности зарядки литий-ионных аккумуляторов.

Наконец, LTC4162 размещен в 28-выводном корпусе QFN размером 4 мм × 5 мм с открытой металлической площадкой для обеспечения превосходных тепловых характеристик. Устройства класса E и I гарантированно работают от –40 ° C до + 125 ° C.

Рис. 2. Зависимость эффективности зарядки литий-ионных аккумуляторов от входного напряжения по количеству ячеек.

Что делать, если требуется более высокий ток?

LTC4015 также является высокоинтегрированным, многохимическим синхронным понижающим зарядным устройством высокого напряжения со встроенными функциями телеметрии.Тем не менее, он имеет архитектуру контроллера с внешними силовыми полевыми транзисторами для более высокого тока заряда (до 20 А или более в зависимости от выбранных внешних компонентов). Устройство эффективно подает питание от входного источника (сетевой адаптер, солнечная панель и т. Д.) На литий-ионный / полимерный аккумулятор, LiFePO4 или батарею LA. Он обеспечивает расширенные функции системного мониторинга и управления, включая подсчет кулонов батареи и мониторинг состояния. Хотя для доступа к наиболее продвинутым функциям LTC4015 требуется хост-микроконтроллер, использование его порта I ² C не является обязательным.Основные характеристики зарядки продукта можно отрегулировать, используя конфигурацию штыря и программирующие резисторы.

Рис. 3. Схема зарядного устройства понижающей батареи 12 В _IN на 2-элементный литий-ионный аккумулятор на 8 А.

LTC4015 обеспечивает точность регулирования тока заряда ± 2% до 20 А, регулировку напряжения заряда ± 1,25% и работу в диапазоне входного напряжения от 4,5 В до 35 В. Приложения включают портативные медицинские инструменты, военное оборудование, приложения для резервного питания от батарей, промышленные портативные устройства, промышленное освещение, защищенные ноутбуки / планшетные компьютеры, а также системы связи и телеметрии с дистанционным питанием.

LTC4015 также содержит точный 14-битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также высокоточный счетчик кулонов. АЦП непрерывно отслеживает многочисленные параметры системы, включая входное напряжение, входной ток, напряжение батареи, ток батареи, и по команде сообщает о температуре батареи и последовательном сопротивлении батареи (BSR). Контролируя эти параметры, LTC4015 может сообщать о состоянии аккумулятора, а также о состоянии его заряда. Все параметры системы можно контролировать через двухпроводной интерфейс I ² C, а программируемые и маскируемые предупреждения гарантируют, что только интересующая информация вызовет прерывание.Профили зарядки на плате LTC4015 оптимизированы для различных типов аккумуляторов, включая литий-ионные / полимерные, LiFePO4 и LA. Конфигурационные контакты позволяют пользователю выбирать между несколькими предопределенными алгоритмами заряда для каждого химического состава батареи, а также несколькими алгоритмами, параметры которых можно регулировать с помощью I ² C. Как напряжение заряда, так и ток заряда могут быть автоматически отрегулированы в зависимости от температуры батареи в соответствии с требованиями. с рекомендациями JEITA или даже с индивидуальными настройками.См. Рисунок 4 для получения информации об эффективности зарядки свинцово-кислотным аккумулятором. LTC4015 размещен в корпусе QFN размером 5 мм × 7 мм с открытой металлической площадкой для обеспечения превосходных тепловых характеристик.

Рис. 4. Эффективность зарядки свинцово-кислотной батареи с LTC4015.

Экономия места, гибкость и более высокие уровни мощности

При равных уровнях мощности (например, 3 А), поскольку это монолитное устройство со встроенными силовыми полевыми МОП-транзисторами, LTC4162 может сэкономить до 50% площади печатной платы по сравнению с LTC4015.Поскольку их наборы функций аналогичны, LTC4015 следует использовать при выходных токах от> 3,2 А до 20 А или более. Ни одно из конкурирующих в отрасли решений для зарядных устройств IC не предлагает такой же высокий уровень интеграции и не может генерировать такие же уровни мощности. Те, которые приближаются к зарядному току (от 2 до 3 А), ограничены только одним химическим составом аккумулятора (литий-ионный) или ограничены по напряжению заряда аккумулятора (максимум 13 В), и поэтому не предлагают уровни мощности или гибкость. из LTC4162 или LTC4015.Кроме того, если учесть количество внешних компонентов, необходимых для ближайшего конкурирующего решения для монолитного зарядного устройства, LTC4162 предлагает до 40% экономии площади печатной платы, что делает его еще более привлекательным выбором для разработки.

Солнечная зарядка

Есть много способов использовать солнечную панель на максимальной мощности (MPP). Один из самых простых способов — подключить аккумулятор к солнечной панели через диод. Этот метод основан на согласовании максимального выходного напряжения панели с относительно узким диапазоном напряжения батареи.Когда доступные уровни мощности очень низкие (примерно менее нескольких десятков милливатт), это может быть лучшим подходом. Однако уровни мощности не всегда низкие. Поэтому в LTC4162 и LTC4015 используется метод MPPT, который определяет максимальное напряжение питания (MPV) солнечной панели при изменении количества падающего света. Это напряжение может резко меняться от 12 В до 18 В, когда ток панели изменяется в течение 2 или более десятилетий динамического диапазона. Алгоритм схемы MPPT находит и отслеживает значение напряжения панели, которое обеспечивает максимальный ток заряда для аккумулятора.Функция MPPT не только непрерывно отслеживает точку максимальной мощности, но также может выбрать правильный максимум на кривой мощности для увеличения мощности, получаемой от панели в условиях частичной тени, когда на кривой мощности возникают несколько пиков. В периоды низкой освещенности режим низкого энергопотребления позволяет зарядному устройству подавать небольшой зарядный ток, даже если света недостаточно для работы функции MPPT.

Заключение

Новейшие мощные и полнофункциональные микросхемы для зарядки аккумуляторов и PowerPath Manager от компании

, LTC4162 и LTC4015, упрощают очень сложную систему зарядки с высоким напряжением и током.Эти устройства эффективно управляют распределением мощности между входными источниками, такими как настенные адаптеры, объединительные платы, солнечные панели и т. Д., А также зарядкой батарей различного химического состава, включая литий-ионные / полимерные, LiFePO4 и SLA. Их простое решение и компактные размеры позволяют им достигать высокой производительности в передовых приложениях, где когда-то единственным вариантом были только более сложные, устаревшие топологии на основе импульсных стабилизаторов, такие как SEPIC. Это значительно упрощает задачу разработчика, когда речь идет о схемах зарядного устройства для аккумуляторов средней и высокой мощности.

Создание зарядного устройства, управляемого Arduino

Arduino и подключенная схема зарядки могут использоваться для мониторинга и управления зарядкой NiMH аккумуляторных батарей, вот как это сделать:

Готовый прибор

Аккумуляторы — отличный способ питания вашей портативной электроники. Они могут сэкономить вам много денег, а при правильной переработке они намного лучше для окружающей среды. Чтобы максимально использовать возможности аккумуляторных батарей, их необходимо правильно зарядить.Значит, вам нужно хорошее зарядное устройство. Вы можете потратить много денег на коммерческое зарядное устройство, но гораздо интереснее построить его для себя. Итак, вот как создать зарядное устройство, управляемое Arduino.

Во-первых, важно отметить, что не существует универсального метода зарядки, подходящего для всех аккумуляторных батарей. Каждый тип батареи использует свой химический процесс для работы. В результате каждый тип батареи необходимо заряжать по-разному. В этой статье мы не можем охватить все типы аккумуляторов и способы зарядки.Поэтому для простоты мы сосредоточимся на наиболее распространенном типе аккумуляторных батарей AA — никель-металлогидридных (NiMH).

Диаграмма Фритцинга проекта

Схема к проекту

Материалы:

Детали в порядке слева направо

• Микроконтроллер Arduino
• Держатель батареи AA
• NiMH батарея AA
• Резистор мощности 10 Ом (рассчитан на мощность не менее 5 Вт)
• Резистор 1 МОм
• Конденсатор 1 мкФ
• IRF510 МОП-транзистор
• Датчик температуры TMP36
• Регулируемый источник питания 5 В
• Макетная плата
• Провода перемычки

Как заряжать NiMH аккумуляторы AA

Увеличение скорости C заряжает аккумулятор быстрее, но увеличивает риск его повреждения

Есть много разных способов зарядить NiMH аккумулятор.Метод, который вы используете, в основном зависит от того, насколько быстро вы хотите зарядить аккумулятор. Скорость заряда (или C-rate) измеряется относительно емкости аккумулятора. Если ваш аккумулятор имеет емкость 2500 мАч и вы заряжаете его током 2500 мА, то вы заряжаете его со скоростью 1С. Если вы заряжаете его током 250 мА, то вы заряжаете его со скоростью C / 10.

При быстрой зарядке аккумулятора (с более высокой скоростью C / 10) вам необходимо внимательно следить за напряжением и температурой аккумулятора, чтобы убедиться, что вы не перезарядите его.Это может серьезно повредить аккумулятор. Однако, когда вы заряжаете аккумулятор медленно (со скоростью C / 10 или меньше), гораздо меньше шансов повредить нашу батарею, если вы случайно перезарядите ее. Из-за этого методы медленной зарядки обычно считаются более безопасными и помогают продлить срок службы батареи. Поэтому для зарядного устройства, сделанного своими руками, я решил использовать скорость заряда C / 10.

Цепь зарядки

Схема этого зарядного устройства представляет собой базовый источник питания, управляемый Arduino.Схема питается от источника регулируемого напряжения на 5 В, такого как адаптер переменного тока или компьютерный блок питания ATX. Большинство портов USB не подходят для этого проекта из-за текущих ограничений. Источник 5 В заряжает батарею через силовой резистор 10 Ом и силовой полевой МОП-транзистор. MOSFET устанавливает, сколько тока может проходить в батарею. Резистор включен как простой способ контролировать ток. Это делается путем подключения каждой клеммы к аналоговым входным контактам на Arduino и измерения напряжения на каждой стороне.MOSFET управляется выходным контактом PWM на Arduino. Импульсы сигнала широтно-импульсной модуляции сглаживаются в сигнал постоянного напряжения с помощью резистора 1 МОм и конденсатора 1 мкФ. Эта схема позволяет Arduino отслеживать и контролировать ток, протекающий в батарею.

Датчик температуры

Датчик температуры предотвращает перезарядку аккумулятора и угрозу безопасности

В качестве дополнительной меры предосторожности я включил датчик температуры TMP36 для контроля температуры батареи.Этот датчик выдает сигнал напряжения, который напрямую соответствует температуре. Таким образом, он не требует калибровки или балансировки, как термистор. Датчик устанавливается на место путем просверливания отверстия в задней части корпуса аккумулятора и приклеивания датчика таким образом, чтобы он находился напротив боковой части аккумулятора при установке. Затем контакты датчика подключаются к 5V, GND и аналоговому входу на Arduino.

Держатель батарейки AA до и после установки на макетную плату

Код

Код этого проекта достаточно прост.В верхней части кода есть переменные, которые позволяют настраивать зарядное устройство, вводя значения номинальной емкости аккумулятора и точное сопротивление силового резистора. Также существуют переменные для пороговых значений безопасности зарядного устройства. Максимально допустимое напряжение АКБ выставлено 1,6 вольт. Максимальная температура аккумулятора установлена ​​на 35 градусов Цельсия. Максимальное время зарядки установлено на 13 часов. При превышении любого из этих пороговых значений зарядное устройство выключается.

В теле кода вы увидите, что система постоянно измеряет напряжение на выводе силового резистора. Это используется для расчета как напряжения на клеммах батареи, так и тока, протекающего в батарею. Этот ток сравнивается с целевым током, который установлен на C / 10. Если рассчитанный ток отличается от заданного более чем на 10 мА, система автоматически корректирует выходной сигнал.

Arduino использует инструмент последовательного монитора для отображения всех текущих данных.Если вы хотите контролировать производительность вашего зарядного устройства, вы можете подключить Arduino к USB-порту на вашем компьютере, но это не обязательно, поскольку Arduino питается от источника питания 5 В зарядного устройства.

Вы можете найти загружаемую версию полного кода ниже:

Arduino_Controlled_Battery_Charger_Code.